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北岭地震和贩神地震后美日钢框架节点设计的改进

时间:2007-1-30栏目:土建水利论文

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(Northridge Earthquake)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,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、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。

2.1 美国北岭地震后对刚框架节点破坏的调查 

 从70年代以来,美国采用高强螺栓联接钢框架已很普遍,北岭地震后出现破坏的有100多幢[3] (有的报导说90多幢[7] 、150多幢[1] 或200多幢[5] )。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(FEMA)资肋下,有加州结构工程协会(SEAOC)、应用技术研究会(ATC)和加州一些大学的地震工程研究单位(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,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 O.015rad(≈1/65),但大量试验表明,塑性转角的试验结果很离散,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(EERC) 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0.05弧度,是SAC经过研究后确定的目标值0.03弧度的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,但使业主和保险公司支付了大量的修复费用。仅就

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