高层钢结构梁柱焊接节点抗震性能的分析

高层钢结构梁柱焊接节点抗震性能的分析

刘亚丽

身份证号：130827198504243663

摘要：对于高层钢结构来说，除了本身需要注意的建筑自重、活荷载等信息外，风荷载和地震荷载对建筑物的影响变得更加突出。目前我国钢结构梁柱节点多采用焊接节点，焊接连接具有用料经济、构造简单、刚度大等优点。在建筑设计中，研究高层钢结构的整体抗震性能和梁柱焊接节点的抗震性能变得尤为重要。本文针对高层钢结构梁柱焊接节点的抗震性能，展开了一系列的深入研究，并就其抗震性能的提高措施给出了一些建议。

关键词：高层；钢结构；梁；柱；焊接节点；抗震性能

1虚拟工程

本文主要研究高层钢结构梁柱焊接节点的抗震性能，选取某高层钢框架支撑结构。工程概况为地下一层，地上十七层。该工程平面形状规则，竖向构件柱地上部分采用箱型截面钢，地下部分采用型钢混凝土，水平构件梁采用H型截面钢，节点采用梁柱焊接节点。为优化建筑抗震性能，除设置普通钢支撑外，该工程还增设了防屈曲约束支撑。由于该工程嵌固层位于地下室一层顶板位置，考虑到地下部分受到土层约束作用的影响，故进行有限元分析时，仅针对该工程地上部分进行多遇地震下的强度验算和罕遇地震下的地震弹塑性响应分析，来研究其抗震性能指标。该工程位于江苏省，抗震设防烈度8度（0.30g）。该工程中，型钢梁、柱、普通钢支撑和防屈曲约束支撑的钢材强度等级均为Q345B，该钢材材料强度按规范值取用设置。

2有限元模型

结合本工程概况，采用SAP2000有限元分析软件进行模型建立，梁、板、柱、普通钢支撑和防屈曲约束支撑等构件截面均按照实际尺寸建模，并采用P-M2-M3铰、P-M3铰模拟柱端、梁端塑性铰。经核对，软件精确度符合要求。经SAP2000软件分析计算，多遇地震下结构强度验算符合要求；罕遇地震下的结构弹塑性时程分析表明，薄弱部位的弹塑性变形验算符合规范要求，表明结构布局规则，布置合理，抗震性能良好。安全的构件需具有一定的强度、刚度和稳定性，同样，抗震性能好的结构也需要具备一定的承载能力、变形能力和稳定性能。规范要求，高层钢框架结构梁柱焊接节点需要满足强连接、强柱弱梁的要求，来保证构件破坏先于节点破坏、梁端破坏先于柱端破坏的破坏形式。结合软件输出结构损伤情况，我们发现塑性铰出现数量较少，且大多出现在梁柱焊接节点位置。塑性铰主要出现在梁柱焊接节点的梁端位置，符合节点强柱弱梁的规范要求。梁柱焊接节点作为整体结构连接梁与柱的关键环节，起到决定性作用。只要优化梁柱焊接节点的抗震性能，便可提高结构整体的抗震性能。

3梁柱焊接节点抗震性能研究

梁柱节点的设计需要符合强柱弱梁的要求，对于结构本身来说，在地震发生时，更好地耗散地震能量，减轻结构损伤，是我们需要关注的重点问题。抗规中所提到的两阶段、三水准设计，就是很好的佐证。我们需要明确“小震不坏、中震可修、大震不倒”的深度含义，如何保证建筑物在罕遇地震下不发生倒塌，显然我们的受力构件梁和柱需要发挥作用。梁作为水平受力构件，主要承受的是上层楼板及其上墙体的重量，当其发生破坏时，影响也较局限于本层及上下几层的范围；而柱子作为竖向承重构件，承担的是本层及以上楼层所传递来的荷载，一旦发生损坏，将影响整栋楼的安全性能。对于梁柱节点来说，我们更倾向于梁先发生塑性变形，吸收地震能量，保证结构的整体不倒塌。高层钢结构梁柱节点多采用焊接节点或栓焊节点，以焊接节点为主。

对于梁柱焊接节点来说，以下几个因素均会影响到其抗震性能指标：（1）地震作用的特殊性。地震作用不同于我们常见的恒活荷载，是偶然荷载，偶然出现，数值很大，持续时间很短。在地震能量释放过程中，构件的应力应变容易达到极值，从而产生节点破坏。在结构设计中，我们尤其需要注意相关地震参数的设置，使得软件模拟尽可能贴近实际情况。（2）焊缝质量。母材与焊缝金属的选用会影响到焊缝性能，焊接工艺与焊接质量同样会影响到焊缝的质量。焊接过程中，焊缝区域容易产生裂纹、气孔等焊接缺陷，还容易产生应力集中和焊接残余应力。这些焊接缺陷和应力的出现，使得构件在外荷载作用下，极易发生破坏。（3）结构布置不合理。设计初期，设计原则有误或结构选型不合理，又或者梁柱布置不规范，导致荷载分布不均，部分梁柱焊接节点受力过大，使得该梁柱焊接节点处于长期高应力状态，一旦地震来临，其安全储备不足以抵抗地震作用，便会发生破坏。（4）节点设计不合理。规范要求梁柱节点要符合强柱弱梁的原则，且节点设计要求等强等刚。若设计过程中只重视梁柱构件忽略节点强度刚度的要求，则使得该梁柱焊接节点成为结构薄弱环节。梁柱焊接节点破坏形式多为脆性断裂，这种情况主要发生在梁柱焊接节点的梁下翼缘部位。出现该破坏形式主要是由于梁下翼缘受力较大，除传递弯矩外还要承担一定的剪力；且梁下翼缘现场施焊质量不易控制，操作存在困难，可能存在一些焊接缺陷问题。当然，不同的节点构造形式，会产生有所区别的破坏形式，这一点在美国Northridge地震和日本阪神地震中均有所体现。

4提高梁柱焊接节点抗震性能的措施

（1）优化节点设计。采用狗骨型节点、槽型节点等削弱型节点，通过对梁截面的切割，削弱了截面刚度，使得塑性铰由抗震性能较差的焊缝处外移至梁截面，提高梁柱节点整体抗震性能；也可采用侧板式节点、托座式节点、预应力加强型节点、梁翼缘放大节点[4]等加强型节点，通过各种措施提高节点区刚度，进而提高节点抗震性能指标。（2）提高焊接工艺及焊接质量。焊接工艺和焊接质量会影响焊缝质量，进而影响梁柱焊接节点的抗震性能。焊接工艺孔的优化设计、垫板和引弧板的选用、焊接温度控制、焊接顺序优化，都有益于提高焊缝性能，减少焊接缺陷的产生。（3）匹配材料强度。母材和焊缝金属除需具有足够的强度、刚度和一定的韧性外，还需要具有强度匹配性。尽量采取同等强度，保证节点抗震性能。（4）减少应力集中。设计过程中尽量减少因结构设计、现场施工和施焊过程中所带来的应力集中现象，提高焊缝质量。（5）优化结构设计。优化结构设计，采用合理的结构选型和结构布置，从根本上提高结构整体抗震性能。对于高层钢结构梁柱焊接节点来说，单单从设计和措施上提高其抗震性能指标是远远不够的，我们还应该从可修复的角度出发，对于地震中受到损害的梁柱焊接节点，达到可以进行修复并且可修复到震害前的强度、刚度和稳定性能。一般来说，可采取的措施有：对于焊接连接部位来说，一般情况是清除掉原有焊缝和垫板重新进行焊接，并对焊缝进行探伤检查；对于梁柱构件的破坏来说，一般情况下可通过粘贴钢板修复，若破坏范围较大，则进行相应构件的更换；对于无法更换构件的区域，也可采用附加盖板加固等方式。不管是提高梁柱焊接节点的抗震性能还是保证其震后可修复，都是确保结构整体抗震性能和安全性能的有效措施。

参考文献

[1]张新梁,杨顺生.高层建筑钢结构梁柱焊接节点断裂分析[J].兵器材料科学与工程, 2022(002):045.

[2]唐天国,宋军凯,廖强,等.装配式钢结构自耗能节点元件抗震性能研究[J].建筑结构, 2022, 52(S02):759-763.

[3]黄彬辉,李元齐.装配式钢结构梁柱节点承载性能研究进展[J].结构工程师, 2021.

[4]李晓东,马广田,闫胤积.钢结构新型节点抗震性能分析[J].东南大学学报（英文版）, 2021(037-003).