北岭地震和贩神地震后美日钢框架节点设计的改进(1)

1、北岭地震和贩神地震后美日钢框架节点 设计的改进 (1) 摘要：本文介绍 1994 年美国北岭地震和 1995 年日本限神地 震引起的钢框架梁柱节点破坏情况，坏原因探讨，设计改进 措施，两国构造的异同和我国的相关对策等。 关键词：钢框架震害节点设计衬板 1前言 1994 年 1 月 17 日发生在美国加州圣费南多谷地的北岭地 震( NorthridgeEarthquake )和正好一年后 1995 年 1 月 17 日发生在日本兵库县南部地区的阪神地震是两次陆域型强 震，都导致了焊接钢框架梁 - 柱附性连接节点的广泛破坏。 震后两国进行了大量的调查和研究，揭示了破坏的原因，在 此基础上提出了改进

2、钢框架节点设计的技术措施。两国在此 期间都发表了不少论文，所作的讨论开拓了人们的眼界，提 供了对钢框架的节点设计的更多了解，对今后钢框架节点设 计有深远的影响。我们受中国建筑科学研究院抗震所委托， 对有关资料进行了搜集、整理和归纳，现将其主要内容在此 作一介绍。 2美日两国钢框架节点的破坏情况 两国钢框架破坏情况的报导，主要集中在梁柱混合连接节 点上，因此本文也以梁柱混合连接为主要对象。混合连接是 一种现场连接，其中梁翼缘与柱用全熔透坡口对接焊缝连接， 梁腹板通过连接板与柱用高强度螺栓连接。美国惯常采用焊 接工字形柱，日本则广泛采用箱形柱，仅在一个方向组成刚 架时采用工字形柱。在梁翼缘连接处，

3、工字形柱腹板上要设 置加劲肋，在箱形柱中则要设置隔板。 美、日两国梁杠混合连接节点的典型构造。 在节点设计上， 两国都采用弯矩由翼缘连接承受和剪力由腹板连接承受的 设计方法，美国还规定，当梁翼缘承受的弯矩小于截面总弯 矩的 70或梁腹板承受的弯矩大于截面总弯矩的30时， 要将梁腹板与连接板的角部用角焊缝焊接。日本则规定腹板 螺栓连接应按保有耐力即框架达到塑性阶段时的承载力设 计，螺栓应设置 2-3 列，也是为了考虑腹板可能承受的的弯 矩。梁翼缘处的柱加劲肋，美国过去根据传力的需要由计算 确定，其截面较小。日本根据构造要求采用，其截面较大。 美国北岭地震后对刚框架节点破坏的调查 从 70 年代以

4、来，美国采用高强螺栓联接钢框架已很普遍， 北岭地震后出现破坏的有 100 多幢 3 。为了弄清破坏的原 因，北岭地震后不久，在美国联邦应急管理局资肋下，有加 州结构工程协会、应用技术研究会和加州一些大学的地震工 程研究单位等组成了被称为SAC和联合动机构，对此开展了 深入调查和研究，以便弄清破坏原因和提出改进措施。 美国的钢框架梁 - 柱连接，在 50 年代多采用铆钉连接， 60 年代逐步改用高强度螺栓连接。为了评估栓焊混合连接的有 效性，曾进行过一系列试验，这种由翼缘焊缝抗弯和腹板螺 栓连接抗剪的节点， 美国 以前规定其塑性转角应达到 O015rad ，但大量试验表明， 塑性转角的试验结果很

5、离散， 且出现了早期破坏，总的说来性能很不稳定。北岭地震前， 德州大学教授 Engelhardt 就曾对这种连接在大震时的性能 产生疑问，指出在大震时要密切注意，对它的的设计方法和 连接构造要进行改进 7 。 北岭地震证实了这一疑虑，为此SAC通过柏克莱加州大学 地震工程研究中心等 4 个试验场地，进行了以了解震前节点 的变形响应和修复性能为目的的足尺试验和改进后的节点 试验。对北岭地震前通常做法的节点及破坏后重新修复节点 的试验表明全部试验都观察到了与现场裂缝类似的早期裂 缝，试验的特性曲线亦与以前的试验结果相同，梁的塑性转 动能力平均为弧度，是 SAC经过研究后确定的目标值 0. 03 弧

6、度的 1 6，说明北岭地震前钢框架节点连接性能很差，这 与地震中的连接破坏是吻合的。而且破坏前没有看到或很少 看到有延性表现，与设想能发展很大延性 e6 钢框架设计意 图是违背的。焊接钢框架节点的破坏，主要发生在梁的下翼 缘，而且一般是由焊缝根部萌生的脆性破坏裂纹引起的。裂 纹扩展的途径是多样的，由焊根进入母材或热影响区。一旦 翼缘坏了，由螺栓或焊缝连接的剪力连接板往往被拉开，沿 连接线由下向上扩展。最具潜在危险的是由焊缝根部通过柱 翼缘和腹板扩展的断裂裂缝。 从破坏的程度看，可见裂缝约占 20-30 ，大量的是用超 声波探伤等方法才能发现的不可见裂纹。裂纹在上翼缘和下 翼缘之间出现的比例为

7、1：5-1 ：20，在焊缝和母材上出现的 比例约为 1：10 到 1：100。一般认为，混凝土楼板的组合作 用减小了上翼缘的破坏，也有人认为上翼缘焊缝根部不象下 翼缘那样位于梁的最外侧，因此焊根中引起的应力较低，减 少了上翼缘破坏的概率 1 。 美国斯坦福大学 Krawinkler 教授对北岭地震中几种主要 连接破坏形式作了归纳，由下翼缘焊缝根部开始出现的这样 或那样的破坏，最多的是沿焊缝金属的边缘破坏，另有沿柱 翼缘表面附近裂开的剥离破坏，也有沿腹板板切角端部开始 的梁翼缘断裂破坏，或从柱翼缘穿透柱腹板的断裂破坏。 北岭地震虽然没有使钢框架房屋倒塌，也没有因钢框架节 点破坏引起人身伤亡，但使

8、业主和保险公司支付了大量的修 复费用。仅就检查费用而言，不需挪动石棉时为每个节点 800-1000 美元，需挪动石棉时为每个节点 1000-XX 美元，对 于有石膏抹灰和吊顶的高级住宅， 每个节点达 XX-5000 美元， 修复费用更高 211。更重要的当然是对过去长期沿用的节点 在抗震中的安全问题提出了疑问，必须认真研究和解决。 22 日本贩神地震后对钢框架节点破坏的调查 阪神地震后，日本建设省建筑研究所成立了地震对策本部， 组织了各方面人士多次参加的建筑应急危险度和震害的调 查，民间有关团体也开展了各类领域的震害调查，但因钢结 构相对于其它结构的震害较少，除新发现了钢柱脆断或柱脚 拔起外，

9、钢框架节点的破坏主要表现在扇形切角工艺孔部位， 但因结构体被内外装修所隐蔽，一般业主、设计或施工人员 对此震害调查不太积极，对钢框架系统震害的调查遇到一定 困难。仅管如此，日本学者还是就腹板切角工艺孔方面的问 题进行了探索，如日本建筑学会结构连接委员会和钢材俱乐 部等单位，专就工艺孔破坏状态等问题作了系统深入的研究。 日本对于混合连接的研究，早在 1978 年以后的石油危机 中，就曾利用建筑处于低潮机会结合自屏蔽电弧焊的出现和 应用，系统地开展过。进入 90 年代后，随着高层、超高层 和大跨度钢结构建筑的增多，梁柱截面增大，若采用过去的 梁悬臂段形式，由于运输尺寸上的限制，悬臂长度大致不能 超过im另一方面，由于梁翼缘板厚增大，拼接螺栓增多， 结果梁端至最近螺栓的距离只有5