美日地震后两国对钢框架节点设计的改进措施样本.doc
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1、北岭地震和贩神地震后美日钢框架节点设计改善摘要:本文介绍1994年美国北岭地震和1995年日本限神地震引发钢框架梁柱节点破坏情况, 坏原因探讨,设计改善方法,两国结构异同和中国相关对策等。 关键词: 钢框架 震害 节点设计 衬板 1序言 1994年1月17日发生在美国加州圣费南多谷地北岭地震(Northridge Earthquake)和 恰好十二个月后1995年1月17日发生在日本兵库县南部地域阪神地震(Hyogoken-Nanbu Earthquake)是两次陆域型强震,全部造成了焊接钢框架梁-柱附性连接节点广泛破坏。震后两国进行了大量调查和研究,揭示了破坏原因,在此基础上提出了改善钢框架
2、节点设计技术方法。两国在此期间全部发表了不少论文,所作讨论开拓了大家眼界,提供了对钢框架节点设计更多了解,对以后钢框架节点设计有深远影响。我们受中国建筑科 学研究院抗震所委托,对相关资料进行了搜集、整理和归纳,现将其关键内容在此作一介绍。 2美日两国钢框架节点破坏情况 两国钢框架破坏情况报导,关键集中在梁柱混合连接节点上,所以本文也以梁柱混 合连接为关键对象。混合连接是一个现场连接,其中梁翼缘和柱用全熔透坡口对接焊缝连接,梁腹板经过连接板和柱用高强度螺栓连接。美国惯常采取焊接工字形柱,日本则广泛采取箱形柱,仅在一个方向组成刚架时采取工字形柱。在梁翼缘连接处,工字形柱腹板上要设置加劲肋(美国称为
3、连续板),在箱形柱中则要设置隔板。 美、日两国梁杠混合连接节点经典结构。在节点设计上,两国全部采取弯矩由翼缘连接承受和剪力由腹板连接承受设计方法,美国还要求,当梁翼缘承受弯矩小于截面总弯矩70或梁腹板承受弯矩大于截面总弯矩30时,要将梁腹板和连接板角部用角焊缝焊接。日本则要求腹板螺栓连接应按保有耐力即框架达成塑性阶段时承载力设计,螺栓应设置2-3列,也是为了考虑腹板可能承受弯矩。梁翼缘处柱加劲肋,美国过去依据传力需要由计算确定,其截面较小。日本依据结构要求采取,其截面较大。2.1 美国北岭地震后对刚框架节点破坏调查 从70年代以来,美国采取高强螺栓联接钢框架已很普遍,北岭地震后出现破坏有100
4、多幢3 (有报导说90多幢7 、150多幢1 或200多幢5 )。为了搞清破坏原因,北岭地震后很快,在美国联邦应急管理局(FEMA)资肋下,有加州结构工程协会(SEAOC)、应用技术研究会(ATC)和加州部分大学地震工程研究单位(CU)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,方便搞清破坏原因和提出改善方法。 美国钢框架梁-柱连接,在50年代多采取铆钉连接,60年代逐步改用高强度螺栓连接。为了评定栓焊混合连接有效性,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节点,美国以前要求其塑性转角应达成 O015rad(165),但大量试验表明,塑性转角试验结果很离散,且出
5、现了早期破坏,总说来性能很不稳定。北岭地震前,德州大学教授Engelhardt就曾对这种连接在大震时性能产生疑问,指出在大震时要亲密注意,对它设计方法和连接结构要进行改善7 。 北岭地震证实了这一疑虑,为此SAC经过柏克莱加州大学地震工程研究中心(EERC) 等4个试验场地,进行了以了解震前节点变形响应和修复性能为目标足尺试验和改善后节点试验。对北岭地震前通常做法节点及破坏后重新修复节点试验表明全部试 验全部观察到了和现场裂缝类似早期裂缝,试验特征曲线亦和以前试验结果相同,梁塑性转动能力平均为0.05弧度,是SAC经过研究后确定目标值003弧度16,说明北岭地震前钢框架节点连接性能很差,这和地
6、震中连接破坏是吻合。而且破坏前 没有看到或极少看到有延性表现,和设想能发展很大延性e6钢框架设计意图是违反。 焊接钢框架节点破坏,关键发生在梁下翼缘,而且通常是由焊缝根部萌生脆性破坏裂纹引发。裂纹扩展路径是多样,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。最具潜在危险是由焊缝根部经过柱翼缘和腹板扩展断裂裂缝。 从破坏程度看,可见裂缝约占20-30,大量是用超声波探伤等方法才能发觉不可见裂纹。裂纹在上翼缘和下翼缘之间出现百分比为1:5-1:20,在焊缝和母材上出现 百分比约为1:10到1:100。通常认为,混凝土楼板组合作用减小了上翼缘破
7、坏,也有些人认为上翼缘焊缝根部不象下翼缘那样在梁最外侧,所以焊根中引发应力较低,降低了上翼缘破坏概率1 。 美国斯坦福大学Krawinkler教授对北岭地震中多个关键连接破坏形式作了归纳, 由下翼缘焊缝根部开始出现这么或那样破坏,最多是沿焊缝金属边缘破坏,另有沿柱翼缘表面周围裂开剥离破坏,也有沿腹板板切角端部开始梁翼缘断裂破坏,或从柱翼缘穿透柱腹板断裂破坏 。 北岭地震即使没有使钢框架房屋坍毁,也没有因钢框架节点破坏引发人身伤亡,但使业主和保险企业支付了大量修复费用。仅就检验费用而言,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-美元,对于有石膏抹灰和吊顶高级
8、住宅,每个节点达-5000美元,修复费用更高211。更关键当然是对过去长久沿 用节点在抗震中安全问题提出了疑问,必需认真研究和处理。22 日本贩神地震后对钢框架节点破坏调查 阪神地震后,日本建设省建筑研究所成立了地震对策本部,组织了各方面人士数次参与建筑应急危险度和震害调查,民间相关团体也开展了各类领域震害调查,但因钢结构相对于其它结构震害较少,除新发觉了钢柱脆断或柱脚拔起外,钢框架节点破坏关键表现在扇形切角(scallop)工艺孔部位,但因结构体被内外装修所隐蔽,通常业主、设计或施工人员对此震害调查不太主动,对钢框架系统震害调查碰到一定困难。仅管如此, 日本学者还是就腹板切角工艺孔方面问题进
9、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研究。 日本对于混合连接研究,早在1978年以后石油危机中,就曾利用建筑处于低潮机会结合自屏蔽电弧焊出现和应用,系统地开展过。进入90年代后,伴随高层、超 高层和大跨度钢结构建筑增多,梁柱截面增大,若采取过去梁悬臂段形式,因为运输 尺寸上限制,悬臂长度大致不能超出1m;其次,因为梁翼缘板厚增大,拼接螺栓增多,结果梁端至最近螺栓距离只有500mm左右,截面受到很大减弱,对确保梁端塑性 变形很不利。这么,在大型钢结构工程中,现在较多采取梁和柱混合连接。图1是采取箱形柱时混合连接示意图梁翼缘和箱形柱隔板直接
10、焊接7 。 日本在美国北岭地震前很快,曾对此种连接进行了试验研究,结果表明,梁端翼缘焊 缝处破坏几乎全部是在梁下翼缘从扇形切角工艺孔端开始,没有看到象在美国试验中和地震中出现沿焊缝金属及其边缘破坏情况,经过试验和版神地震观察到梁端工艺孔 处裂缝发展情况。 日本钢材俱乐部研究了扇形切角工艺孔带衬板及底部有焊缝两种节点试验。 美、日两国钢框架在地震中梁柱节点破坏形式是有区分,北岭地震中裂缝多向柱段范围扩展,而阪神地震中裂缝则多向梁段范围发展。对两国节点破坏情况这种差异和其和结构差异关系,还有待深入探讨。3节点破坏原因和分析北岭地震后,美日两国学者就节点破坏原因,经过现场调查、室内试验和现场检验,进
11、行了结构响应分析、有限元分析、断裂力学分析等,还作了很多补充试验,结合震前研究, 对节点破坏原因提出了部分见解。首先认为节点破坏和加劲板、补强板腹板附加焊缝等变动,并没有什么直接关系,也并不是仅由设计或施工不良所能说明,而是应从节点本身存在根本性缺点方面去找原因。有以下几方面原因,被认为是决定和和影响节点性能而造成了破坏。 31 焊缝金属冲击韧性低3 美国北岭地震前,焊缝多采取E70T-4或E70T-7自屏蔽药芯焊条施焊,这种焊条提供最小抗拉强度480MPa,恰帕冲击韧性无要求,试验室试件和从实际破坏结构中取出 连接试件在室温下试验表明,其冲击韧性往往只有10-15J,这么低冲击韧性使得连接很
12、易产生脆性破坏,成为引发节点破坏关键原因。在北岭地震后很快所作大型验证性试验,对焊缝进行十分仔细操作,做到了确保焊接质量,排除了焊接操作产生影响。焊缝采取E70T-4型低韧性焊条,尽管焊接操作质量很高,连接还是出现了早期破坏, 从而证实了焊接缝金属冲击韧性低,是焊接破坏原因之一。 32 焊缝存在缺点3 对破坏连接所作调查表明,焊接质量往往很差,很多缺点能够看出显著违反了规范要求焊接质量要求,不仅焊接操作有问题,焊缝检验也有问题。很多缺点说明,裂缝萌生在下翼缘焊缝中腹板焊条经过孔周围,该处下翼缘焊缝是中止,使缺点更为显著。该部位进行超声波检验也比较困难,因为梁腹板妨碍探头设置。所以,关键连接 焊
13、缝中因为施焊困难和探伤困难出现了质量极差部位。上冀缘焊缝施焊和探伤不存在梁腹板妨碍问题,所以能够认为是上翼缘焊缝破坏较少原因之一。 33 坡口焊缝处衬板和引弧板造成人工缝4 实际工程中,往往焊接后将焊接衬板留在原处,这种做法已经表明,对连接破坏含相关键影响。在加州大学进行试验表明,衬板和柱翼缘之间形成一条未熔化垂直界面,相当于一条人工缝,在梁翼缘拉力作用下会使该裂缝扩大,引发脆性破坏。 其它人员研究也得出相同结果。 1995年加州大学Popov等所作试验,再现了节点脆性破坏,破裂速度很高, 事前并无延性表现,所以破坏是灾难性。研究指出,受拉时切口部位应力最大,破坏是三轴应力引发,表现为脆性破坏
14、,外观无屈服。她们还经过有限元模拟计算,得出最大应力集中系数出现在梁缘焊接衬板连接处中部,破坏时裂缝将从应力集中系数最大地方开始,此一结论已为试验所证实。研究表明:大多数节点破坏全部起源于下部衬板处。引弧板一样也会引发裂缝。 3.4 梁翼缘坡口焊缝出现超应力3 北岭地震后对震前节点进行分析表明,当梁发展到塑性弯矩时,梁下翼缘坡口焊缝处会出现超高应力。超应力出现原因有:当螺栓连接腹板不足以参与弯矩传输时, 柱翼缘受弯造成梁翼缘中段存在着较大集中应力;在供焊条经过焊接工艺孔处,存着附加集中应力;据观察,有一大部分剪力实际是由翼缘焊缝传输,而不是象通常设计假设那样由腹板连接传输。梁翼缘坡口焊缝应力很
15、高,很可能对节点破坏起了不利影响。Popov4采取8节点块体单元有限元模拟分析发觉,节点应力分布最高应力点, 是在梁翼缘焊缝处和节点板域,节点板域屈服从中心开始,然后向四面扩散。 岭前进行大量试验表明,当焊缝不出现裂纹时,节点受力情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要求。日本利用震前带有工艺孔节点,在试验荷载下由 应变仪测得工艺孔端点翼缘内外应变分布,应变集中倾向出现在翼缘外侧端部,内侧则在工艺孔端部,最大应变发生在工艺孔端点位置上.应变集中原因,不仅大于工艺孔 造成不连续性,还在于工艺孔部分梁腹板负担一部分剪力由翼缘去负担了,使翼缘和 柱隔板上产生了二阶弯曲应力。这些试验和
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