工程设计某地震后美日钢框架节点设计的改进

北岭地震和贩神地震后美日钢框架节点设计的改进

摘要：本文引见1994年美国北岭地震和1995年口本限神地震惹起的钢框架梁柱节点毁

坏状况，坏缘由讨论，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I月17日发生在美国加州军费南多谷地的北岭地震（Nor【hridgeEar【hquake）

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（Hyogoken-Nanbu

Earthquake）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毁坏，震

后两国进行了大量的调杳却研讨，揭示了毁坏的缘由，在此基础上提出J'改进钢框架节

点设计的技术措施。两国在此时期都发表了不少论文，所作的讨论开辟了人们的眼界，

提供了对钢框架的节点设计的更多理解，对今后钢框架节点设计有深远的影响。我们受

中国建筑科学研讨院抗震所委托，对有关材料进行了搜集、整理和归纳，现将其次要内

容在此作一引见。

2.美日两国钢框架节点的毁坏状况

两国钢框架毁坏状况的报导，次要集中在梁柱混合连接节点上，因此本文也以梁柱混

合连接为次要对象。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，梁腹板经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，工字形柱

腹板上要设置加劲肋（美国称为连续板），在箱形柱中则要设置隔板。

美、IT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。口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求由计算确定，其截面较小。日本根据构造要求采用，其截

面较大。

2.1美国北岭地震后对刚框架节点毁坏的调查

从70年代以来，美国采用高强螺栓联接钢框架已很普遍，北岭地震后出现毁坏的有100

多幢［3］(有.的报导说90多幢⑺、150多幢［1］或200多幢［5］)。为了弄清毁坏的缘由，

北岭地震后不久，在美国联邦应急管理局(FEMA)资肋下，有加州结构工程协会(SEAOC)、

运用技术研讨会(ATC)和加州一些大学的地宸工程研讨单位(CU)等组成J'被称为SAC和

联合动机构，对此开展了深化调杳和研讨，以便弄清毁坏缘由和提出改进措施。

美国的钢框架梁-柱连接，在50年代多采用钾钉连接，60年代逐渐改用高强度螺栓连

接。为了评价栓焊混合连接的有效性，曾进行过一系列实验，这种山翼缘焊缝抗弯和腹

板螺栓连接抗剪的节点，美国以前规定其塑性转角应达到O.()15rad(比1/65),但大量

实验表明，塑性转角的实睑结果很离散，且出现了早期毁坏，总的说来功能很不波动。

北岭地震前，德州大学教授Engelhardt就曾对这种连接在大震时的功能产生疑问，指出

在大震时要亲密留意，对它的的设计方法和连接构造要进行改进［7］。

北岭地震证明了这一疑虑，为此SAC经过柏克莱加州大学地震工程研讨中心(EERC)

等4个实验场地，进行/以理解震前节点的变形呼应和修复功能为目的的足尺实验和改

进后的节点实验。对北岭地震前通常做法的节点及毁坏后重新修复节点的实验表明全部

试验都观察到了与现场裂痕类似的早期裂痕，实验的特性曲线亦与以前的实验结果相

反，梁的塑性转动才能均匀为0.05弧度，是SAC经过研讨后确定的目的值0.()3弧度的

1/6,阐明北岭地震前钢框架节点连接功能很差，这与地震中的连接毁坏是吻合的。而

且毁坏前没有看到或很少看到有延性表现，与想象能发展很大延性e6钢框架设计意图

是违犯的.焊接钢框架节点的毁坏，次要发生在梁的下翼缘，而且普通是由焊缝根部萌

生的脆性毁坏裂纹惹起的,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

具潜在风险的是由焊缝根部经过柱翼缘和腹板扩展的断裂裂痕。

从毁坏的程度看，可见裂痕约占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1：5・1：20,在焊缝和母材上出现的

比例约为1：10到1：100。普通以为，混凝土楼板的组合作用减小了上翼缘的毁坏，也

有人以为上翼缘焊缝根部不象下翼缘那样位于梁的最外侧，因此焊根中惹起的应力较低,

减少了上翼缘毁坏的概率Wo

美国斯坦福大学Krawinkler教授对北岭地震中几种次要连接毁坏方式作了归纳，由下

翼缘焊缝根部开始出现的这样或那样的毁坏，最多的是沿焊缝金属的边缘毁坏，另有沿

柱翼缘表面附近裂开的剥离毁坏，也有沿腹板板切角端部开始的梁翼缘断裂毁坏，或从

柱翼缘穿透柱腹板的断裂毁坏。

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毁坏惹起人身伤亡，但使

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，不需移动石棉时为每个节

点800-10()()美元，需移动看棉时为每个节点10(X)-2000美元，对于有布膏抹灰和吊顶的

高级住宅，每个节点达2000-50()0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成绩提出了疑问，必须仔细研讨和处理。

2.2口本贩神地震后对钢框架节点毁坏的调查

阪神地震后，日本建设省建筑研讨所成立了地震对策本部，组织了各方面人士多次参

加的建筑应急风险度和震害的调查，官方有关集团也开展了各类范畴的震害调查，但因

钢结构绝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，钢框架节点的

毁坏次要表如今扇形切角(scallop)工艺孔部位，但因结构体被内外装修所隐蔽，普通主、

响节点功能而导致了毁坏，

3.I焊缝金属冲击韧性低⑶

美国北岭地震前，焊缝多采用E70T-4或E70T-7自屏蔽药芯焊条施焊，这种焊条提供

的最小抗拉强度480MPa,恰帕冲击韧性无规定，实验室试件和从实践毁坏的结构中取出

的连接试件在室温下的实验表明，其冲击韧性往往只要10-15J,这样低的冲击韧性使得

连接很易产生脆性毁坏，成为引发节点毁坏的重要要素。在北岭地震后不久所作的大型

验证性实验，对焊缝进行非常细心的操作，做到了确保焊接质量，扫除了焊接操作产生

的影响。焊缝采用E70T-4型低韧性焊条，虽然焊接操作的质量很高，连接还是出现了早

期毁坏，从而证明了焊接缝金属冲击韧性低，是焊接毁坏的要素之一。

3.2焊缝存在的缺陷[3]

对毁坏的连接所作调查表明，焊接质量往往很差，很多缺陷可以看出分明违犯了规范

规定的焊接质量要求，不但焊接操作有成绩，焊缝检查也有成绩。很多缺陷阐明，裂痕

萌生在下翼缘焊缝中腹板的焊条经过孔附近，该处的下翼缘焊缝是中缀的，使缺陷更为

分明。该部位进行超声波检查也比较困难，由于梁腹板妨碍探头的设置。因此，次要的

连接焊缝中由于施焊困难和探伤困难出现了质量极差的部位。上冀缘焊缝的施焊和探伤

不存在梁腹板妨碍的成绩，因此可以以为是上翼缘焊缝毁坏较少的缘由之一。

3.3坡口焊缝处的衬板和引弧板形成人工缝[4]

实践工程中，往往焊接后将焊接衬板留在原处，这种做法曾经表明，对连接的毁坏具

有重要影响。在加州大学进行的实验表明，衬板与柱翼缘之间构成一条未熔化的垂直界

面，相当于一条人工缝，在梁翼缘的拉力作用下会使该裂痕扩大，惹起脆性毁坏。其它

人员的研讨也得出相反结果。

1995年加州大学Popov等所作的实验，再现了节点的脆性毁坏，决裂的速度很高，事

前并无延性表现，因此毁坏是灾难性的。研讨指出,受拉时切口部位应力最大，毁坏是三

轴应力惹起的，表现为脆性毁坏，外观无屈服。他们还经过有限元模拟计算，得出最大

应力集中系数出如今梁缘焊接衬板连接处中部，毁坏时裂痕将从应力集中系数最大的地

方开始，此一结论已为实验所证明。研讨表明：大多数节点毁坏都来源于下部衬板处。引

弧板异样也会引发裂痕。

3.4梁翼缘坡口焊缝出现的超应力[3]

北岭地震后对震前节点进行的分析表明，当梁发展到塑性弯矩时，梁卜.翼缘坡口焊缝处

会出现超高应力。超应力的出现要素有：当螺栓连接的腹板不足以参加弯矩传递时，柱

翼缘受弯导致梁翼缘中段存在着较大的集中应力；在供焊条经过的焊接工艺孔处，存看

附加集中应力；据观察，有一大部分剪力实践是由翼缘焊缝传递，而不是象通常设计假

设的那样由腹板的连接传递。梁翼缘坡口焊缝的应力很高，很可能对节点毁坏起了不利

影响。Popov[4]采用8节点块体单元有限元模拟分析发现，节点应力分布的最高应力点，

是在梁的翼缘焊缝处和节点板域，节点板域的屈服从中心开始，然后向周围扩散。岭行

进行的大量实验表明.当焊缝不出现裂纹时，节点受力状况也常常不能满足坡口焊缝近处

梁翼缘母材不出现超应力的要求。日本利用震前带有工艺孔的节点，在实验荷载下由应

变仪测得的工艺孔端点翼缘内外的应变分布，应变集中倾向出如今翼缘外侧端部，内侧

则在工艺孔端部，最大应变发生在工艺孔端点地位上.应变集中的缘由，不只大于工艺孔

形成的不连续性，还在于工艺孔部分梁腹板负担的一部分剪力由翼缘去承担J',使翼缘

和柱隔板上产生了二阶弯曲应力。这些实验与分析均指出，今后对节点性？芳母慕

唤奥i?nbsp;改善焊缝，而且还应降低梁翼缘坡口焊缝处的应力程度。

3.5其它要素[3]

有很多其它要素也被以为对节点毁坏产生潜在影响，包括：梁的屈服应力比规定的最

小值高出很多；柱翼缘板在厚度方向的抗拉强度和延性不确定；柱节点域过大的剪切屈

服和变形产生不利影响；组合楼板产生负面影响。这些影响要素可能还需求一定工夫进

行争论，才能弄清楚。

4.改进节点设计的途径

4.I将塑性较的地位外移⑵⑶⑷

在北岭地震之前，美国UBC和NEHRP两本法规对节点设计的规定，都是根据在柱面

产生塑性钱的假定提出的,由于在北岭地震中发现梁在柱面并没有产生塑性变性，却出

现了裂痕。切口处的毁坏是由三轴应力惹起的，从而导致了脆性毁坏。过去采用的焊接

钢框架节点标准构造，不能提供可靠的非弹性变形。实验表明，其节点转动才能不超过

O.005rad,大大小于SAC建议的最小塑性转动才能0.03rad。另一方面，从受力状况

看，塑性较出如今柱面附近的梁上，还可能在柱翼缘的材料中惹起很大的厚度方向应变,

并对焊缝金属及其周围的热影响区提出较高的塑性变形要求，这些状况也可能导致喊性

毁坏。因此，为了获得可靠的功能，最好还是将梁柱连接在构造上使塑性校外移。将塑

性地位从柱面外移有两种方法，一种是将节点部位局部加强，一种是在离开柱面一定距

离处将梁截面局部减弱。钢梁中的塑性较典型长度约为梁高的一半，当对节点局部加强

时，可取塑性较地位为距加强部分的边缘处梁高的1/3。节点局部加强固然也可使塑性

较外移，但应非常留意不要因此出现弱柱，有背强柱弱梁的准绳。

也有一部分专业技术人员以为，在构造上采取某些措施仍可使塑性较出如今柱面附近,

这些措施包括限制构件的截面，控制梁柱钢材的有关强度，使母材和焊缝金属有足够的

冲击韧性，在节点构件上消弭缺口效应等。但是由于没有足够的研讨来肯定这些建议，

使得这种建议在美国迟迟未能落实。而将塑性较自柱面外移的建议，实验已表明是可行

的和行之有效的。目前，美国对节点局部加强及梁截面减弱，都已提出了若干构造方案。

实践匕将梁截面减弱使塑性较外移的方法，早在北岭地震以前即有学者提出过，北岭

地震后又作了研讨，在技术上已较成熟[4],从近期在美国盐湖城建造的25层办公楼中

采用的犬骨式(dog-bone)连接，就可以看到它的构造细节。目前，美国虽未提出今后在

抗震框架中引荐采用何种节点方式，但从实践状况看，上述犬骨式连接已成为主导方式

[3]。因它制造方便、省工，由美国公司设计的我国天津国贸大厦钢框架中也已采用J'这

种节点方式。

日本阪神地震后，没有象美国采用将塑性较外移的方案。日本1996年发表的《钢结构

工程技术指针》和1997年发表的《钢结构技术指针》JASS6等，仅提出了钢框架梁柱连

接节点的构造改进方式，对节点构造特别是扇形切角工艺孔作了不少规定，目的也是消

弭可能出现的裂痕，保证结构的非弹性变形。也就是说，日本与美国分别采用了不同的

避免脆性毁坏的途径。

4.2梁冀缘焊缝衬板缺口效应的处理[11][6]

在北岭地震前，美国钢框架节点施工中，通常将衬板和引弧板焊接后留在原处，这种

做法，如前所述存在缺口效应，会导致开裂，如今则在焊后将下翼缘的衬板和引弧板割

除，同时对焊缝进行检查[11]o正如后面曾指出的，在下翼缘的焊缝中部山于焊条经过

切角困难，焊接和探伤操作都要被迫中缀，通常存在缺陷，割除衬板后可以目视观察，

从而减少在此部位不易查看到的裂纹。衬板和引弧板可用气刨割除后再清根补焊，但费

用较高，操作不慎还可能伤及母材。研讨表明，衬板也可不去除，而将衬板底面边缘与

柱焊接，缺陷是无法象去除衬板后能对焊缝进行细心检查。

由于上翼缘焊缝处衬板的缺口效应不严重，而且它对焊接和超探也没有妨碍，出于费

用考虑，割除上翼缘衬板可能不合算，假如将上翼缘衬板边缘用焊缝封闭，实验表明并

无利影响，因此美国现时做法是上翼缘衬板依然保留并用焊缝封口。

坡口焊缝的引弧板，在上下翼缘处通常都切除，由于引弧和灭弧处通常都有很多缺用气

切切除后还需打磨，才能消弭潜在的裂痕源。

在消弭衬板的缺口效应方面，日本是非常注重的。在阪神地震后发表的技术规定中，对采

用H型钢梁、组合梁，以及采用组合梁时梁预先焊接或与衬板同时拆卸，不论能否切角，

均采用衬板，对其构造包括引弧板，分别作了详细规定"

4.3扇形切角构造的改进⑻[9]

在Id本阪神大地震中，由于扇形切角工艺孔的端部终点存在产生裂痕的风险，能否设

置形切角以及如何设置，已成为关系到抗震安全的一项重要成绩。日本震后发表的技术

规范中，对扇形切角的设置也提出一系列规定，包括不开扇形切角和开扇形切角两大类,

并规定扇形切角可采用不同外形；对于柱贯通形和梁贯通形节点分别规定了不同的构造

方式。柱贯通型节点的扇形切角方式有两种，其特点是将扇形切角端部与梁翼缘连接处

圆弧半径减小，以便减少应力集中。日本早就研讨不设扇形切角以进步梁变形才能的方

案，在最近公布的技术规定中，根据目前的焊接技术程度已将此种方案付诸实施⑻[9]。

4.4选用有较高冲击韧性的焊健⑵[6]

如前所述，焊缝冲击韧性不足会惹起节点毁坏。那么焊缝究竟要有多大的冲击韧性才

能防止裂纹出现呢?美国提出，焊缝的恰帕冲击韧性(CVN)最小值取-29C时27J(相当于

-200F时20fl-lbs)是合适的，可以发展成为理想上的标准。在最近美国的实践工程中，

采用E71T-8型和E70TG-K2型焊条的普通手工焊电弧焊已表明焊缝最小冲击韧性可满足

上述要求，而采用E7018型药芯焊条的贴紧焊焊缝冲击韧性值更高，但都必须按AWS规

定的焊接和探伤方法操作＜

4.5将梁腹板与柱焊接[3]

美国SAC在采用犬骨式连接时建议：将以往的腹板栓接改为焊接，用全熔透坡口焊缝

将梁腹板直接焊在柱上或经过较厚连接板焊接。在北岭地震前，就已有很多研讨指出腹

板焊接比栓接功能好，它能更好地传力，从而减小梁翼缘和翼缘坡口焊缝的应力。日本

在阪神地震前的研讨也已指出，梁端腹板用高强度螺栓连接时，与焊接相比抗弯才能变

小，塑性变形才能有分明差异，但在日本新规定中尚未看到与美国提出的相类似的要求。

5.美、日节点构造的比较、根据美、日钢框架梁-柱节点构造及震后的改进状况，可以看

到下列差异：

1）美国以为梁端不能产生塑性变形，采取了将塑性较外移的基本对策，提出将节点局

部加强或将梁局部减弱的方法，虽然目前尚无定论，但从实践发展状况看，因减弱梁截

面的方法省工、效果好，已在某些工程中采用。但日本却没有采用将塑性较外移的方法,

而是采取在原构造的基础上消弭裂痕的病灶的方法。

2）两国都留意到了梁翼缘坡口焊缝的焊接衬板边缘存在的缺口效应所带来的严重后

果，在北岭地震和阪神地宸后都采取了相应对策。美国SAC建议，下翼缘焊缝的衬板

宜割除，然后清根补焊；考虑上翼缘焊缝缺陷普通较少，受力条件较有利以及费用等缘

由，可对衬边缘用焊缝封闭。而日本则对H型钢梁和焊接组合梁（包括梁先焊好和梁与衬

板同时拆卸两种状况）以及节点为柱贯通型或梁贯通型时衬板的设置，作了详细规定。

3）美国在梁腹板端部衬板经过处采用矩形切角（端部呈半圆形），而不象日本采用圆弧形

切角，由于腹板受弯矩较大时将连接板与腹板焊接，从有关震害状况报导看，没有发现

这种方式的切角引发多少裂痕。日本为消弭梁端扇形反角端部的应力集中，作出一系列

规定，包括不作扇形切角、梁腹板用直线切剖不设扇形切角的方法以及允许采用不同方

式的切角等，如在与梁翼缘连接处将曲率半径变小和采用类似美国采用的切角方式。

4）美口两国都规定，节点按翼缘连接受弯矩和腹板连接受剪力的要求设计。美国附加

规定了当梁翼缘的受弯承或力小于截面受弯承载力的70%或梁腹板受弯承载力大于截面

受弯承载力的30%时，在柱连接板角部应将梁腹板与连接板焊接。日本过去在梁端混合

连接中，采川弯矩由翼缘连接承受，剪力由腹板连接承受的设计方法，螺栓普通配置一

列。在94年的文献［5］中指出，”如今该处的连接必需满足保有耐力连接的条件，考虑腹

板高强螺栓连接也要部分地承受弯矩，要求布置2列到3歹U,与以前的连接相比，抗弯

承载力储备进步了，这是结构设计上的一个特点。”这些都是北岭和阪神地震前的状况,

震后基本上没有改变。只是北岭地震后，美国建议将梁腹板直接与柱焊接或与连接板焊

接，以便减小梁翼缘焊缝处的焊缝应力，口本则尚无此规定。

5）与梁翼缘对应地位的柱加劲肋（美国叫做连续板），口本一向规定应比对应的梁翼缘

厚度大一级，以为这是关键部位，为此多用一点材料是很值得的。美国过去根据传递梁

翼缘压力的需求确定，考虑一部分内力由柱腹板直接传递，加劲肋厚度分明小于梁翼缘

氏度。而且曾有一些设计规定，例如可取厚度等于梁翼缘厚度的一半。有的文献以为，

太厚了可能产生较大残余应力，最好用实验确定。北岭地震中，有些加劲肋屈曲了，有

的学者己提出改为与梁翼缘等厚的建议。

6）美国强调焊缝冲击韧性的重要性，规定了节点翼缘焊缝的冲击韧性目的，严厉焊接

工艺的探伤要求。日本一向注重焊接质量，还没有看到在这方面有什么新的规定。

7）美国以为，钢材屈服点高出标准值较多是钢框架宸害的重要缘由之一，这也许在美

国特别突出。美国钢材屈服点超过标准值很多，过去就有报导，如低碳钢A36的屈服强

度可高达48ksi,抗拉强度可高达701Csi,它使连接实践要求的承载力大大进步，当按设

计不能满足时，就要出现毁坏。根据美国型钢消费商研讨会所作调查和建议，AISC于

97年规定将框架连接计算中的强度增大系数由过去的1.2进步到1.5（对A36）和1.3（对

A572）,其它钢号仍保留1.2,强柱弱梁条件式中柱的抗弯承载力也作了相应进步。

6.我国采取的对策

我国早期的高层建筑钢结构基本上都是国外设计的，我国的设计施工规程是在学习国

外先进技术的基础上制定的。由于日本设计的我国高层钢结构建筑