（材料加工工程专业论文）地震载荷下焊接钢结构梁柱节点断裂行为的研究.pdf

摘要 l 钢结构由于其良好的力学性能、经济性能和使用性能，广泛地应用在厂房、 桥梁、大型工业没备和建筑领域，尤其是在高层建筑上。但足，从近年来荚凼利 日本等地相继发生的地震来看，许多建筑物的破坏是由于焊接梁柱：1 ，点的失效般 坏引起的，而节点的破坏除了结构方面的原因以外，绝大多数是和焊接方面的斟 素紧密相关的，因此如何提高焊接钢结构的抗震性能显得异常重要。厂5 本文给出了一种求整体结构地震响应的方法，即先对地震加速度记录进行谱 分析，用自己编制的m a t l a b 程序将加速度记录变换成载荷谱，然后用振型叠加法 求出整体结构的地震响应，对两种典型的加速度记录一e lc e m r o 地震和天津波记 录进行谱分析和结构响应计算。 本文首次针对国内典型的h 型梁柱节点形式，用三维有限元的方法，在模拟 节点受弯的条件下，计算分析了节点处的应力分布和应力集中情况。计算显示在 翼缘焊缝的根部和焊接工艺孔与梁翼缘的交界处存在应力集中，而且底梁翼缘焊 根的应力集中要明显高于顶梁翼缘焊根的应力集中。梁翼缘坡口焊接时加的垫板 结构使翼缘焊根部常出现未焊透，这样垫板与柱翼缘之间就形成一条“人工”裂 纹。将“人工”裂纹简化为表面裂纹，应用断裂力学公式计算出焊根部应力强 度因子，也表明底梁翼缘焊缝根部的应力强度因子值要大于顶梁翼缘焊缝根部的 应力强度因子值。 一 并在三维弹性有限元方法基础上，) 用线弹性断裂力学方法，在翼缘焊缝根部 假设存在表面裂纹，对节点基本类型以及加强节点类型，如在翼缘焊缝上加盖板， 在翼缘外加直立筋板，在翼缘内侧加加强筋板等节点形式进行计算，评价各利j 力n 强节点形式对材料断裂韧度的要求。在不改变梁柱节点基本尺寸的情况下，对与 梁柱节点细部有关的几何参数。如垫板厚度，焊缝高度，焊接工艺孔的形状等广一 进行优化设计计算，分析对结构承载的影响。( 研究表明：( 1 ) 对于表面裂纹，随 着垫板厚度的减小，应力强度因子和无量纲形状系数的值都是逐渐变大的；( 2 ) 不 论焊接工艺孔的形状多么完美，都不如没有焊接工艺孔时的应力集中情况改善的 好：( 3 ) 在保证焊缝连接强度的条件下翼缘焊缝高度越小越好。厂) 。 此外，本文还首次用有限元方法对焊接钢结构梁柱节点翼缘焊缝之间不同的 强度匹配进行了研究。研究表明：不同匹配时，节点的焊缝最大等效应变从低， 等到高匹配逐渐减小，在低匹配时，焊缝应变在低载荷时略高于梁应变，高载荷 时略低于梁应变；等匹配时，焊缝应变显著低于梁应变；高匹配时，焊缝应变也 显著低于梁应变。焊缝选用高匹配时，结构变形优先在梁翼缘上发生，对承受重 载的焊缝起保护作用，对梁柱节点的抗震是有利的矿、 本文还提出模拟地震多次冲击作用的改进尼伯林克试验。【基于应力和变形都 是与一定的能量相关的，而且动态断裂韧性抗动态断裂的能力，也是能量度 量，因此寻找一种在能量基础上的尼伯林克试验方法，不失为解决动态断裂的能 量标准，本文只是做了初步的探讨。尼伯林克试验是一种开裂性试验，正适合立 足于预防角度的抗震设计，而且尼伯林克试验还能反应全板厚，实际残余应力状 态以及实际地震下的多次冲击作用的影响效果，因此比夏比冲击这样的质量控制 类型的试验，更适合做评定抗震断裂性能的试验方法。对结构用钢1 5 m n n b r 的 焊缝试件，进行了一2 0 ，o 和2 0 下的尼伯林克试验，直至试件断裂，记录下 断裂前的残余c o d 值，和断裂前的吸收能量，并且进行相应材料的不同温度下 的夏比冲击试验。以尼伯林克试验抗脆断的残余c o d 为o0 6 m m 的标准，结构用 钢1 5 m n n b r 可以使用的最低温度为5 4 ，对应的夏比冲击功为2 l j ，而夏比冲 击功2 7 j 的温度为一4 7 。若以残余c 0 d 为o0 6 m m 时的温度t ：。为基准的话， 可允许使用的温度范围比用t 。为标准时的温度范围更宽，因此对本文中试验材 料来说以t ：，为标准是更保守的。j 7 扩 此外，对15 m n n b r 进行了静载拉伸和快速拉伸试验，测出了材料在不同应 变速率下的应力应变关系曲线。另外还用开缺口的拉伸试棒的快速拉伸试验来模 拟地震条件下带裂纹材料变形断裂行为，评价材料的缺口敏感性，作为抗震设计 时材料选择的依据。 关键词：焊接钢结梁柱节舻有限完应力集中断裂力挚7 应力强度因i 了 断裂韧度强度匹配尼伯林克试验7 残余c o d 抗震设计 a b s t r a c t d u et oi t sg o o d p r o p e n i e s o fm e c h a n i c s ，e c o n o m ya n du s e ，s t e e ls t r u c t u r ei sw i d e l y u s e di nm a n yf l e l d s ，s u c ha sf a c t o r i e s ，b r i d g e s ，l a r g ei n d u s t r i a le q u i p m e m a 1 1 db u i l d i n g s ， e s p e c i a l l yo nh i g h r i s eb u i l d i n g h o w e v e r ，i nt h er e c e n te a r t h q u a k e so f u s aa n dj a p a n ， d a m a g e s t o m a l l yb u i l d i n g r e s u l t e df r o mt h eb r i t t l ef r a c t u r e o fb e a m 。t o + c o l u m l l c o n n e c n o nb r i t t 】e 疗a c l u r ei sm a j n l yd u et ov a n a b l e so fw e l d i n g ，a n di t i sa l s oa f r e c t e d b ys o m ef a c t o r so f s t m c t u r ei ti se x t r e m e l yi m p o n a n tt od or e s e a r c ho nh o w t oi m p r o v e e a n h q u a k e r e s i s t a l l tb e h a v i o ro f s t e e ls t 九j c t u r e am e t h o dt oc a l c u l a t es e j s m i cr e s p o n s eo f s t r u c t u r ei sg i v e na tn r s ts e i s m o g r a p h i c r e c o r d sa r et r a n s f o r m e dt ol o a ds p e c t m mb ys p e c “1 l ma 1 1 a l y s i sm e t h o d ，a n dt h e nm o d a l s u p e r p o s i t i o ni s u s e dt o c o m p u t es e i s m i cr e s p o n s e o fw h o l es t r u c t u r e t 、v o t y p i c a i a c c e l e r o g r 锄r e c o r d s o fe lc e n t r oe a r t h q u a k ea n dt i a n j i n e a n h q u a k ea r e t a k e nt o c o m p u t e s t r u c t u r er e s p o n s e i no r d e rt oa s s e s se a n h q u a k e r e s i s t a n tb e h a v i o ro ft y p i c a lt y p e hb e a m t o c o l u m n c o n n e c t i o ni n c h i n a ，s t r e s sd i s t r i b u t i o no fc o n n e c t i o n i sf l r s t c o m p u t e dw i t ht h r e e - d i m e n s i o n a lf e mu n d e rm o m e n tt os i m u l a t el o a dc o n d i t i o no ne a r t h q u a k e ，a n ds t r e s s c o n c e n t r a t i o na tt h er o o to ff l a n g ew e l di sa l s oa l l a l y z e da sb a c k i n gb a rf o rg r o o v e d w e l do nb e a mn a n g ee x i s t s ，a n i f l c i a lc r a c ki sf o r m e db e c a u s eo fl a c k o f - f u s i o na tt h e r o o to f f l a n g ew e l d s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r s ( k i ) a tt h er o o to fn a n g ew e l da r ec o m p u t e d f r o mt h ev i e w p o i n to f 行a c t u r em e c h a n i c s t h ec o m p u t a t i o ns h o w st h a ts t r e s si n t e n s i t y f a c t o ro nb o t t o mn a n g ew e l di so b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h a to nt o pf l a n g ew e l d b a s e do nt h ea s s u m p t i o nt h a ts u i f a c ec r a c k se x i s ta tt h er o o to fn a n g ew e l d ，l i n e a 卜 e l a s t i cf r a c t u r em e c h a n i c si su s e dt oe v a l u a t er e q u i r e dt o u g h n e s so fo r i g i n a lc o n n e c t i o n a 1 1 dr e i n f o r c e dc o n n e c t i o nf o r m s ，a m o n gw h i c ha r eo n e so f w i t hc o v e ro nf l a n g e ，w i t h s t i 仃e n e dr i bi n s i d eb e a ma n dw i t hu p s t a n d i n gr i ba b o v en a n g e k e e pt h es j z eo f b a s i c g e o m e t r yo fo r i g i n a lc o n n e c t i o nc o n s t a n t ，o p t i m u md e s i g n so f s o m ed e t a i l e dg e o m e t r y o f f l a n g ew e l d ，s u c ha st h i c k n e s so fb a c k i n gb a lh e i g h to fn a n g ew e l da n ds h a p eo f w e l da c c e s sh o i ea r ec a r r i e do u te 丘b c t so ft h e s ef a c t o r so nc a r r y i n g c a p a c i t y o f s t r u c t u r ea r ea n a l y z e da n ds o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w nf e o w ：( 1 ) w i t ht h ed e c r e a s eo f t h i c k n e s so f b a c k i n gb a ls t r e s si n t e n s i t yf a c t o r so f s u a c ec r a c ki n c r e a s e ( 2 ) n om a t t e r w h i c hc h a n g e sm a d eo n s h 印e o fw e l da c c e s s h o i e ，e 矗色c t o fa m e l i o r a t i n gs t r e s s c o n c e n t r a t i o ni sn o tb e t t e rt h a nt h a tw i t hn ow e l da c c e s sh o l e ( 3 ) t h el e s se x t r ah e i g h t o f f l a n g ew e l dw h e nj o i n ts t r e n g t hi se n o u g h t ok e e ps a f b t y t h eb e t t e f i na d d i t i o n ，s t r e n g t hm i s m a t c h i n go ff l a n g e w e l do ns t e e ls t m c t u r eb e a m t o c o l u m nc o n n e c t j o ni s a l s on r s ts t u d i e d t h es t u d i e ss h o wt h a tm a x i m u me f r e c t i v e s t r a i n so fn a n g ew e l dd e c r e a s e w h e ns t r e n 口hm i s m a t c h i n gc h a n g e s f r o mu n d e r m a t c h i n gt oo v e r m a t c h i n g u n d e ru n d e r - m a t c h i n gs t r a i no fw e l di sf i r s t l yh i g h e rt h a n t h a to fb e a mu n d e rl o wl o a d i n 吕t h e nl o w e rt h a nt h a to f b e a m u n d e r h i g hl o a d i n g u n d e r e q u a 】m a t c h i n ga n do v e 卜m a t c h i n gs t r a i no f w e l di sa l w a y si o w e rt h a nt h a to fb e a m i t i s a d v a n t a g e o u st o s e l e c t o v e 卜m a t c h i n gf o rn a n g ew e l ds u b j e c t e d t o h i 曲l o a d i n g ， b e c a u s ed e f o r m a t i o ni n c l i n e st oh a p p e no nb e a mf l a n g e m o d m e dn i b l i n kt e s ti sf i r s tp u tf o n v a r dt os i m u i a t er e p e t i t i o u ss h o c ke 矗b c to f e a n h q u a k ea ss t r e s sa n ds t r a i nh a v ec l o s ec o r r e l a t i o nw i t he n e r g y a n d d y n a m i c f r a c t u r e t o u g h n e s si s a l s oo fd i m e n s i o no fe n e r g y ，n i b l i n kt e s tc o n s i d e r i n ge n e 唱y c a nb eu s e da s t e s tc r i t e r i o nt oe v a l u a t ed y n a m i cf r a c t u r et h es t u d yi ss t i l la ti t sp r i m a r ys t a g e n i b l i n k t e s t w h i c hc o n s i d e r si n f l u e n c eo ft h i c k n e s s ， i sm o r es u i t a b l et h a nc h a r p yt e s tt o s i m u l a t ea c t u “c o n d i t i o n ，s u c ha sr e s i d u a l s t r e s sa n dr e p e t i t i o u ss h o c ke 毹c to f e a r t h q u a k e n i b l i n kt e s tj sc r a c ki n i t i a t i o nt e s t ，w h i l ec h a r p yt e s ti sq u a l i t yc o n t r o lo n e f r o mt h ev i e wo fp r e v e n t i n ge a r t h q u a k e ，i ti sa l s om o r es u “a b l et ot a k en i b l i n kt e s t m e t h o dt oe v a j u a t ea s e i s m j c 仔a c t u r ep m p e r t yt h a nc h a r p yt e s t n i b i i n kt e s tw i t h s t r u c t u r a js t e e lo f1 5 m n n b r w e r ec a r r i e do u t u n d e r 一2 0 ，o a n d2 0 ，a n dr e s i d u a l c o da n da b s o r b e d e n e 唱y o f e v e r ys p e c i m e n w e r em e a r s u r e db e f o r e f r a c t u r e ， m e a n w h i l ec h a r p yt e s t sw e r ea l s oc a r r i e do u tt oc o m p a r ew i t hr e s u ho f n i b l i n kt e s tb e c o n f o r m e dt ot h ec r i t e r i o nt h a tr e s i d u a lc o do fn i b l i n kt e s t s p e c i m e nm u s ts a t i s f y o0 6 m m ，s t m c t u r a ls t e e l15 m n n b rc a nb eu s e du n d e r 一5 4 ，u n d e rw h i c hc h a r p y a b s o r p t i o ne n e 唱ye q u a l st o2 1j ，w h i i et e m p e r a t u r ef o rc h a r p ya b s o r b e de n e 唱y2 7 ji s 4 7 t a k e nt h e t e m p e r a t l l r e u n d e rw b j c hr e s j d u a lc o do 0 6 m mj ss a t i s f j e da s b e n c h m a r ko ft h em i n i m a 】s e r v i c et e m p e r a t u r e ，i th a sam o r ew i d es e r v i c et e m p e r a t u r e r a n g et h a nt a k i n gt 2 7 ja st h ec r i t e r i o n s ot h ec r i t e r i o no f t 2 l ji sm o r e c o n s e n ，a t i v e f i n a l l y ，s t a t i ca n dd y n a m i ct e n s i l et e s t so fl5 m n n b r a r ec a r r i e do u ts t r e s s s t r a i n c u r v e su n d e rd i f 诧r e n tl o a d i n gf a t ea r eo b t a i n e d m o r e o v e r n o t c h e dt e n s i l es p e c i m e n s a r eu s e dt os i m u l a t e ds t r u c t u r ew i t hc r a c k su n d e re a r t h q u a k e t h r o u g ht h e s et e s t s ，o n w h i c hs e l e c t i o no fm a t er i a if o re a r t h q u a k er e s i s t a n td e s i g nd e p e n d s ，丹a c t u r ep r o p e n i e s a n dn o t c hs e n s i t i v i t yo fm a t e r i a ja r ea n a l v z e d k e yw o r d s ：k i d e ds t e e l s t r u c t u r eb e a m t o - c o l u m nc o n n e c t i o nf i n i t ee i e m e n t s t r e s sc o n c e n t r a t i o nf r a c t u r em e c h a n i c ss t r e s si n t e n s i t yf a c t o rf r a c t u r et o u g h n e s s s t r e n 百hm i s m a t c h i n g n i b l i n kt e s tr e s i d u a lc o d e a n h q u a k e r e s i s t a n td e s i g n 天津大学博士掌位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 地震是危及人类生命和财产安全的最主要的自然灾害之一，干百年来人们一 直在同地震进行着不懈地斗争。地球上每年要发生几千次地震，当然有很大破坏 力的地震虽然少数，但也时有发生。地震分布的区域是广泛的，但从目前所有的 资料来看，大多数地震带产生在两个地带：一个是环太平洋沿岸地震带；一个是 阿尔卑斯地震带，它是从喜玛拉雅山脉通过伊朗和土耳其到达地中海一带。显然， 我国与这两个地震带都有关。 地震活动具有一定的周期性和准周期性。有关学者利用小波变换研究表明： ( 1 ) 中国大陆大地震从1 9 1 0 1 9 8 0 具有3 0 年( 3 0 a ) 显著周期( 从2 0 年代、5 0 年代 以及7 0 年代几次大地震间隔可知) ，但在1 9 8 0 年后变为2 0 a 周期，目前中国大 陆又进入了新的活跃期；f 2 ) 华北地区近5 0 0 年来存在比较稳定的3 0 0 a 长周期和 6 0 a 左右短周期，目前又处于第三地震活动期，预计将持续到2 0 3 6 年前后。 1 9 9 9 年9 月2 1 日的台湾“九二一”大地震阁，倍受世人瞩目。据台湾有关部 门提供的资料显示，“九二一”地震为里氏7 6 级，此次地震属于“直下型浅源地 震”，震源深度为1 1 k m ，震中位于台中南投县集集镇，北纬2 38 5 度，东经1 2 0 7 5 度。有关部门在1 0 月份估计，大地震的损失1 0 0 0 亿台币，因地震死亡2 3 3 3 人， 失踪3 9 人，重伤4 1 3 9 人；房屋全倒2 0 8 1 5 户，半倒r 7 9 7 8 户。在分析建筑物倒 塌、损坏原因时，结构专家指出除了施工质量、设计问题外，造成建筑物破坏的 一个重要的特点是垂直地震力的影响：此次地震的竖向地震分力相当大，峰值几 乎达到个重力加速度，远远超过人们对竖向地震分力的认识，以至于许多建筑 物竖向抗震能力低于地震作用而损坏。 由于人们对地震规律的认识不够深入，加之地震灾害的不可预知性，人们只 能立足于预防的角度。我国的抗震规范规定：小震不坏、中震可修、大震不倒， 也是基于预防的角度制定的。随着工业技术水平的飞速发展和城市规模的扩大， 高层建筑发展势头正日益强劲，而钢结构在高层建筑中的应用更是未来发展的趋 势。钢结构由于其良好的力学性能、经济性能和使用性能，广泛地应用在厂房、 第一章绪论 桥梁、大型工业设备和建筑领域，尤其是在高层建筑上。钢结构具有以往结构形 式无法比拟的优点，如强度高，韧性好，整体结构的重量轻，建筑可利用的空间 大，生产效率高，其良好的延性更是抗震设计的首选。】9 9 4 ，11 7 美国加州发生 一场里氏68 级的北岭地震n - “，4 。非常巧合的是，一年后的同一天，即1 9 9 51 1 7 ， 日本也发生了里氏74 级著名的阪神大地震f 4 】“j ，造成5 4 0 0 人死亡和1 5 0 0 亿美 元的经济损失。这两次地震中，许多钢结构建筑出现的不同程度的脆断破坏，更 是引起工程界的广泛关注。尽管钢结构的震害与其它结构体系相比要轻得多，而 在北岭地震中未发现一例倒塌的钢结构 4 l ，但后来的阪神地震随即就证明了工程 界的忧虑是不无道理：一旦主震烈度足够大，特别是地震持续时间足够长，或者 主震之后发生次相近的强余震，这种局部破坏即会导致结构的整体破坏。 钢结构一直由于良好的延性，被认为是具有抗震性的最可靠的结构形式。由 于这两次地震中出现的钢结构的脆断问题，不得不让人们对钢结构的抗震性能进 行重新认识。在这些失效的钢结构中，许多是和梁柱节点的失效密切相关，很多 破坏是从焊接接头处开始的。有关研究表明f 6 ，7 】，造成焊接结构脆断的原因是多方 面的：主要是材料选用不当，设计不合理和制造工艺及检验技术不完善等等。如 何提高焊接钢结构的抗震性能显得异常重要。我国是个多地震的国家，目前钢结 构的应用正日益广泛，这方面的研究更是当务之急。 1 2 梁柱焊接节点的构造形式及震害分析 1 2 1 梁柱焊接节点的构造形式 梁柱节点形式，按梁柱连接刚度的大小可分为三类：即铰接连接、半刚性连 接和刚性连接。对于如高层建筑等较重要钢结构连接，大都采用刚性连接。梁 v h 形柱 訇h 形粱j 型1 ，一 v i | 箱形柱 h 形梁j 此1 丌 a ) h 形柱梁柱节点b ) 箱形柱梁柱节点 图1 1 梁柱刚性连接的两种常见形式 f i gl l t 、v ot y p i c a lf o m so f r i g i db e a m t o c o i u m nc o n n e c t i o n 2 天津大学博士掌位论二 柱刚性连接构造为梁翼缘与柱现场熔透焊，梁腹板与柱连接以高强螺栓现场连接 ( 也可以角焊缝焊接) ，以传递轴力，弯矩与剪力。梁般为h 形，而柱有h 形或 箱形两种。美国一般采用h 形柱( 参见图1 1 a ) ，而日本则普遍采用箱形柱( 参 见图1 1 b ) 。h 形梁柱节点详细结构见图3 3 。主梁与柱刚接时， 柱腹板上与梁 翼缘对应处应加水平加筋板，箱形柱内应设加筋隔板。水平加筋板应按与梁翼缘 面积等强设计，并应中心线互相对准，其连接焊缝亦应满足等强传力的要求f 9 】。 1 2 2 北岭地震 北岭地震之前，广泛使用的焊接梁柱节点是按美国统一的建筑标准( u b c ) 设计制造的，为特殊的抗弯框架( s m r f ) 。地震最初，对钢结构的反应也同过去 一样，未见有关损害的报导，实际上节点的破坏为建筑外包物所掩盖。后来对1 0 0 多座钢框架建筑的仔细观察发现梁柱节点存在破坏现象1 1 0 1 ，这才引起工程界的广 泛注意。在对2 0 6 6 个楼板框架的检验中l ，发现大部分破坏发生在节点梁翼缘 与柱翼缘的连接处，其中又以底梁翼缘明显多于顶梁翼缘，具体百分比例见表l 。 典型的破坏限于节点的底端梁翼缘柱翼缘连接处，而顶梁翼缘与柱翼缘连接 则保持完整无损。有一些情况下，承受剪切螺栓栓接的剪切连接扳，从螺栓孔间撕 裂或填充焊缝从柱面上撕裂下来。然而，剪切连接板的这类破坏仅仅发生在底梁 翼缘破坏。底梁翼缘的断裂特征随结构的不同而不同，图l2 显示在建筑上观察 到的8 类裂纹( 从a o ) 形式0 1 。其中，有7 类是从梁翼缘和柱翼缘正交点处起 裂。这也正是垫板与梁柱交界的区域。 表l1 破坏形式分类比例 t a b1 1p e r c e n t so f d i 珏毫r e n t 丘a c t u r cm o d e s 破坏发生处( 形式)所占比例 底梁翼缘焊缝处 顶梁翼缘焊缝处 底梁翼缘接头柱翼缘处 从柱翼贯穿至柱腹板处 5 0 2 0 1 5 5 其中a 、b 和c 类裂纹起裂于垫板区的焊缝根部，只是沿着焊缝和柱翼缘之 间区域扩展深度不同。d 类裂纹起裂开始象前三类，然后转向柱翼缘，从翼缘焊 的焊趾上部扩展而出。这几类裂纹是垫板与柱之间存在微小裂纹的证据。e 、f 和g 类裂纹向柱翼缘扩展，部分或全部扩展穿过拄翼缘，甚至继续扩展到柱的腹 板，也可从柱的两侧起裂，导致柱水平方向完全裂开。典型的导出点位于连接加 劲板与柱翼缘内表面的焊缝的焊趾处，也有特殊情况从加筋板下扩展而出。h 类起裂于焊缝焊趾处或者焊接工艺孔与底梁翼缘的交点处。裂纹可以贯穿焊缝或 第一章绪论 者贯穿母材，或两者皆有。 坚强圜匿 t y p e a t y p e b t y p e ct y p e d 哩哩匿团碧 t y p e e t y p e f t y p e g 图l2 北岭地震中几种裂纹形式 f i g 】2 f r a cn l r em o d e su n d e rn o n h r i d g ee a r m q u a k e 詈煽 、r 3 09 2 1 1 一 州 图1 3 阪神地震梁柱节点破坏模式 f i gl3f r a c t u r em o d e so f b e 锄- t o - c o l u m nc 0 1 1 1 1 e c t i o nu n d c rk o b ee a n l l q u a k e 1 2 3 阪神地震 1 9 9 5 年1 月在 1 本发生的阪神大地震中2 _ “”，不少钢结构都遭到破坏，研 究报告表明，钢结构的破坏特点有：( 1 ) 建筑年代久远的钢结构的破坏；( 2 ) 钢结 构柱和梁的节点处的破坏；( 3 ) 柱的脆性破坏以及大跨度结构的破坏。这些结构构 件遭到破坏的原因之一受高速应变变形的影响。地震后的检查发现口“，许多断裂 是从翼缘坡口焊缝的各种焊接缺陷以及几何不连续处引起的延性裂纹的尖端引发 的。i 妇于日，美两国梁柱节点的构造形式的不同，也正如图1 1 a 和图1 ，l b 所示 的那样，地震后观察的梁柱节点断裂现象也不尽相同：阪神地震中裂纹主要向粱 一侧扩展，而北岭地震中裂纹主要向柱一侧扩展。图l3 所示为阪神地震中梁柱 焊接连接的破坏模式川。图中，模式i 表示翼缘断裂，模式2 和3 表示热影响区 断裂，模式4 表示横隔板断裂。震害调查发现，上述连接破坏发生时，梁翼缘已 有显著屈服或( 和) 局部屈曲现象。 1 2 4 以往地震中观察到的连接失效 甲芷l9 6 4 年a l a s k a 地震和1 9 8 5 年m e x i c o 地震中就观察到多例粱柱连接断 天津大学博士掌位论文 钢材是一种性质较均匀的材料，但其内部总是存在着不同类型和不同程度的缺 陷，而焊缝也经常会或多或少存在一些缺陷，如裂缝、未焊透、夹渣和气孔等【1 ”， 这些缺陷能够成为断裂的起源。由于梁腹板的存在，在对梁下翼缘焊接时，很难 保持翼缘焊缝的连续性，再由工艺孔的尺寸大小所限，在梁腹板中心线所对的焊 缝处或多或少的存在一些缺陷，如裂纹、夹渣和气孔。焊接时由于垫板的存在， 很容易在焊根部位形成未熔合。这些缺陷都可能成裂纹的起裂点。为此，要求对 钢材和焊缝进行无损检测。在对焊接工艺规范参数方面的研究，有证据f i “表明： 焊接过程中大的线能量输入和高的层间温度会显著降低h a z 的断裂韧度，同时可 能会降低焊缝的屈服强度和抗拉强度。低的断裂韧度，以及保留垫板的构造和各 种不利的因素都导致在承受地震载荷时，降低对脆性断裂的抗力。 1 4 防止脆断的措施 梁柱节点的断裂现象应区别对待。对于那些经历了多次大塑性应变循环之后 断裂的梁柱连接，其能量耗散已为框架抵御强震发挥了相当大的作用，若这样的 框架在强震中倒塌，其存在的问题不在于梁柱节点，而在框架整体的抗震性能了。 梁柱节点的在强震下的脆性断裂不仅使节点丧失承载力，而且危及整个建筑结构 安全，因此应尽力避免。下面从选材、设计和施工检验方面阐述防脆断的措施。 1 4 1选材方面 i ) 选择具有低的屈强比的材料，且o 。6 。值较大，这种材料的非弹性区较长， 应力应变曲线下的面积大，具有较大的消耗地震能量的能力。 i i ) 焊缝金属应与母材强度相匹配，q 2 3 5 级钢应选用e 4 3 型焊条或相应的焊 丝；1 6 m n 钢应选用e 5 0 型焊条或相应的焊丝。当不同强度的钢材焊接时，应按 较低强度钢材的匹配要求选用焊条或焊丝【9 1 。 i i i ) 材料的选取除了满足强度要求，采用韧性材料也是重要的措施。建筑结 构的钢材在常温要满足一定的冲击韧性的指标，而且对焊态下韧度值也要有一定 的要求。可采用夏比冲击试验来选材和进行质最控制，所采用的材料应严格满足 有关结构标准所要求的冲击吸收功f 6 j 。 1 4 2 设计方面 i ) 从强度角度来设计，旨在通过合理的结构设计使得节点的强度比杆件的强 度高，在避免增加结构的刚度和接头部位的应力集中情况下，适当加强节点， 满足“强节点弱杆件”的原则，使“塑性铰”在且仅在梁上出现。 i i ) 与传统的设计不同的是，在不发生失稳破坏的情况下，可适当削弱近节点 第一章绪论 梁构件的抗弯承载力，如p o p o v 的狗骨式设计( d o g - b o n ed e s i g n ) ，试验表明这种 设计有优越的抗震性能【1 8 1 ，也可采用c h e n 等人改进的优化的设计方案”，从而 真正从“延性利用”的高度，有效地降低了梁柱焊接连接对焊接质量的敏感程度。 i i i ) 尽量减少结构和焊接接头部位的应力集中，腹板上的工艺孔应尽量平滑 过渡，避免产生应力集中。在不减小腹板连接强度条件下，适当加大梁腹板上的 工艺孔，便于施焊，提高焊缝质量。补充腹板与抗剪连接板之间的焊缝。 i v l 翼缘焊的根部要充分与垫板熔合，也可在垫板与柱翼缘之间用围焊把“人 工”裂纹包起来，这些可以显著降低“人工”裂纹的k i 值。 1 4 3 施工和检验方面 i ) 焊接前焊条要按有关规定严格烘于，对焊接部位的母材应按要求的温度在 一定范围进行预热。垫板和引弧板应按规定的规格制作加工，坡口尺寸要符合有 关标准。 i i ) 采用直径规格小的焊条进行打底焊，确保焊根部位熔透。严格控制焊接工 艺规范，避免焊缝的韧度降低，焊缝成形良好，形状要符合标准。重要部位由技 术等级高的工人施焊，关键部位焊后进行无损检测，减少梁柱连接中的焊接缺陷。 对所有焊缝都应进行外观检查。焊缝都应符合规定的焊接质量标准，重 要的部位进行超声波探伤。凡经过外观检查和超声波检验不合格的焊缝，都必须 按要求进行修补。 1 5 本文研究方向的提出与国际研究动态 1 5 1 焊接钢结构的抗震试验 工程结构抗震试验是研究结构抗震性能的一个重要方面，一般可分为两大 类：结构抗震静力试验和结构抗震动力试验【2 0 1 。根据加载方式的不同，结构抗震 试验又分为周期性加载试验和非周期性加载试验。目前国内外结构抗震试验中周 期性静力加载试验研究的较多，也比较成熟，结构抗震动力试验中的模拟地震台 试验开展也日益增多。结合反映低周疲劳特性的地震破坏准则，通过低周疲劳试 验获得的加载循环次数与强度或刚度退化的关系，可以比较不同设计方案抗震能 力的强弱。 进行周期性大变形静力加载试验，必需遵循一定的加载制度。通过用加载过 程中的位移或力作为控制值进行加载，目前使用较多的一种是变位移加载，即在 加载过程中以位移( 包括线位移或角位移) 作为控制值，或以屈服位移的倍数作 为控制值。采用何种加载制度能较好地反映地震作用，各国有不同的作法。有一 些国家采用两次大幅值之阃加几次小循环的混合加载制度来模拟构件承受两次地 震冲击的状态；也有一些国家的学者认为等幅变位移加载中的等幅部分应该至少 1 0 次甚至更多才能表达地震特点。日本建研所采用的统一的加载方案规定：第一 次为o 7 p y ，以后按1 6 y ，2 6 y 及4 6 y 各加l o 次，接下去2 次6 6 y 等( p y 为根据 材性试验结果计算的试件固定端截面屈服时荷载，6 。为试件固定端截面在施加荷 载n 时的位移) ，日本人认为这样比较接近地震反应。 由于美、日两国在地震中出现了大量的焊接梁柱节点的失效破坏，因此两国 都相继丌展了焊接钢结构梁柱节点的抗震试验。美国由加利福尼亚结构工程师协 会、应用技术委员会和加州大学地震工程研究中心联合而成的s a c 组织，开展 了静力抗震试验】，试验装置示意见图1 6 ，采用位移控制，加载制度为德州大 学的a t c 2 4 协议，对地震以前的设计和改进后的设计进行了试验，提出了改进 方案。日本的七所大学及企业也联合开展类似的试验【2 ”，并以梁端旋转角比值( t 1 = 0 0 p e p 为在全塑性弯矩作用下梁段的弹性旋转角) 确定的延性为指标，进行了 火量的试验，为进行抗震设计提供了依据。 图1 6 粱柱节点试验装置示意图 f j g 1 6s k e t c ho f t e s ls e t u po f b e 舢- t o c o l u m nc o n n e c t j o n 1 5 2 试验中的粱柱焊接节点断裂现象1 2 查阅以往的梁柱节点试验记录，可以发现震害中观察到的破坏模式大都在实 验室中不止一次地出现过。以往的粱柱节点试件多数为h 型梁h 型柱节点。即 便是在r 本，7 0 年代以前采用的也是这种结构形式，因而以武藤清教授为主做了 许多这种形式的足尺试验。试验结果表明，焊接质量较好的试件有足够的非弹性 变形能力；而焊接缺陷所引起的缺口效应足以使重型h 型试件在常温下发生脆性 断裂。7 0 年代中期以后，r 本开始改用h 型梁箱型柱结构形式，同时构件尺寸 第一章绪论 不断增大，施工工艺也有所变化，但由于足尺试验的诸多困难，使得基于足尺模 型的断裂试验难以为继了【2 。 1 。5 2 1 美国大型梁柱节点试验情况 美国在过去的三十几年里，以加州伯克莱的p o p o v 教授为代表，陆续进行了 大批的梁柱节点在低周反复载荷作用下的试验研究，试验中脆性断裂现象比例很 高。早在六、七十年代，p o p o v 就主持了8 个大型多高层钢结构梁柱连接的试验。 其中试件1 、4 、6 发生了脆性破坏，破坏时翼缘处几乎没有屈服的迹象，与试件 2 、3 、5 、7 形成鲜明的对比。另外，试件8 尽管无腹板连接，但其恢复力性能相 当好，这也是从侧面说明了梁柱焊接连接的延性是粱柱节点延性的主要保证。各 试件承载力和破坏情况见表12 。 表12 大型多高层钢结构梁柱连接 尺寸 试件腹板连接情况p 以p 以破坏现象 i n k i p i 1w 18 5 0 5 个7 ，8 i n 螺栓 7 12 ( 3 1 6 )14 713 0 突然断裂，有噪声 2 满焊 7 54 ( 3 3 5 )i5 6 13 8延性屈曲 3 5 个3 4 i n 螺栓 7 49 ( 3 3 3 )1 5 5 13 7翼缘处断裂 4 4 个3 “i n 螺栓 7 46 ( 3 3 1 )15 4 13 6突然断裂 8 腹板无连接6 5 ，5 ( 2 8 3 ) 1 3 211 6 对接焊缝处断裂 sw 2 4 7 6 7 个7 8 i i l 螺栓1 2 6 0 ( 5 6 0 ) 1 6 5l4 4 延性屈曲 6 7 个1 i n 螺栓1 1 30 ( 5 0 2 )l4 813 0焊缝处突然断裂 7 满焊1 3