《鋼結構新型延性節點的抗震設計理論及其套用》是2012年科學出版社出版的圖書，作者是王燕。該書可供土木工程專業和工程力學專業的設計人員、研究人員和高校教師參考，也可作為相關專業研究生學習用書。
基本介紹
- 中文名：鋼結構新型抗震節點的設計理論及其套用
- ISBN號：978-7-03-034781-7
- 頁 數：276 ; 16開
- 原書定價：60.00
- 作 者：王燕
簡介,目錄,前言,第1章,第2章,第3章,第4章,第5章,第6章,第7章,第8章,書摘,
簡介
【作 者】王燕著
王燕，青島理工大學教授，博士生導師，工學博士。兼任國家住房和城鄉建設部高等學校土木工程專業指導委員會委員，中國鋼結構協會專家委員會委員，中國建築金屬結構協會專家委員會委員，中國鋼結構協會穩定與疲勞協會常務理事，《工業建築》、《鋼結構》雜誌編委。享受國務院政府特殊津貼專家，山東省有突出貢獻的中青年專家，榮獲國家級教學名師獎、寶鋼教育基金優秀教師特等獎。長期從事結構工程學科鋼結構設計理論及其工程套用領域的教學與科研工作，先後主持國家自然科學基金項目、高等學校博士點專項科研基金項目、國家標準《鋼結構設計規範》科研專項基金項目、山東省自然科學基金項目、青島市科技攻關項目、青島市建設科技項目以及橫向重大科技開發等科研項目40餘項。主持的科研項目先後獲得國家科技進步二等獎1項，山東省科技進步一等獎1項，青島市科技進步二等獎2項、三等獎1項；獲得國家實用新型專利2項；主持的教學研究項目先後獲得國家教學成果二等獎1項，山東省優秀教學成果一等獎1項、二等獎2項。出版學術專著2部、主編教材2部、參編國家規範和行業標準4部，已培養50餘名博士、碩士和博士後研究人員，在國內外學術刊物上發表學術論文1 50餘篇，教學研究論文近20篇。
【出版發行信息】 北京市：科學出版社 , 2012.05
【中圖法分類號】TU391.04 (工業技術>建築科學>建築結構>金屬結構>鋼結構)
【參考文獻格式】王燕著. 鋼結構新型抗震節點的設計理論及其套用. 北京市：科學出版社, 2012.05.
【內容提要】 本書系統介紹地闡述了作者在鋼結構新型抗震節點的理論、試驗方法和設計方法的創新性研究成果。內容主要包括：鋼框架梁翼緣削弱型節點的力學性能分析；鋼框架各種不同構造形式加強型節點的延性及滯回性能分析；翼緣削弱型節點鋼框架結構的動力特性、內力、結構的整體穩定性能分析。 《鋼結構新型延性節點的抗震設計理論及其套用》系統地闡述了作者在鋼結構新型延性節點的抗震設計理論、計算方法、工程套用方面的創新性科研成果。內容主要包括：削弱型節點的力學性能以及鋼框架結構的內力和穩定性分析、不同構造形式加強型節點的抗震性能試驗研究、焊接節點斷裂特性的有限元分析、加強型節點鋼框架的抗震性能分析。
目錄
前言
第1章
緒論
1.1 傳統鋼結構樑柱連線節點的類型和震害分析
1.2 鋼框架塑性鉸外移新型抗震節點的類型和設計原理
1.3 國內外的研究現狀
1.4 鋼框架塑性鉸外移新型抗震節點的套用與發展
第2章
削弱型節點的力學性能
2.1 引言
2.2 削弱型節點力學性能的試驗研究
2.3 削弱型節點靜力荷載作用下的有限元分析
2.4 削弱型節點低周循環荷載作用下有限元分析
2.5 有限元與試驗結果對比
2.6 削弱型節點鋼框架的動力特性
第3章
削弱型節點鋼框架的內力和穩定性
3.1 引言
3.2 削弱型節點鋼框架的內力
3.3 削弱型節點鋼框架梁的整體穩定
3.4 削弱型節點鋼框架柱的整體穩定
第4章
擴大型節點的滯回性能
4.1 引言
4.2 直接擴翼型節點的滯回性能試驗
4.3 擴大型節點滯回性能的有限元分析
4.4 擴大型節點損傷退化性能
4.5 擴大型節點斷裂特性
第5章
過渡板加強型節點的滯回性能
5.1 引言
5.2 過渡板加強型節點滯回性能試驗研究
5.3 過渡板加強型節點滯回性能的有限元分析
第6章
蓋板加強型節點的滯回性能
6.1 引言
6.2 蓋板加強型節點滯回性能的試驗研究
6.3 蓋板加強型節點滯回性能的有限元分析
第7章
鋼框架焊接節點的斷裂性能
7.1 引言
7.2 焊接節點脆性斷裂的評估指標
7.3 板式加強型節點的斷裂性能分析
7.4 不同構造形式焊接節點的斷裂性能對比分析
第8章
直接擴翼型節點鋼框架的動力特性和滯回性能
8.1 引言
8.2 直接擴翼型節點鋼框架的擬動力試驗
8.3 直接擴翼型節點鋼框架的滯回性能試驗
8.4 有限元分析
參考文獻
書摘
第1章 緒論
1.1 傳統鋼結構樑柱連線節點的類型和震害分析
1.1.1 傳統鋼結構樑柱連線節點的類型
鋼結構樑柱結合的部分稱為樑柱節點或樑柱連線，它在結構中起到重要作用。在正常使用狀態下，鋼結構樑柱節點將梁與柱連成整體，使結構能夠有效地承受重力、風載等外部荷載。在強烈地震作用下，梁端和節點域產生塑性變形，形成塑性鉸，有效地吸收和耗散能量，使結構能夠做到大震不倒、小震可修。連線節點的力學性能還會影響到結構的整體行為，如結構變形、自振周期、地震反應和結構內力。根據受力變形特徵，鋼結構梁與柱的連線可以劃分為以下三類。
（1）剛性連線。如圖1.1（a）所示，樑柱間無相對轉動，連線可以承受彎矩和剪力。這種連線節點的彈性剛度大於或等於構件的彈性剛度。習慣上，若連線轉動約束達到理想剛接的90%以上就認為是剛性連線[1] ，如圖1.2中Ⅰ區域所示。
（2）鉸支連線。如圖1.1（b）所示，樑柱間有相對轉動，連線不能承受彎矩和剪力。該節點的剛度遠遠小於構件的剛度，在計算時可以認為等於零。通常當樑柱軸線夾角的改變數達到理想鉸接的80%時就認為是鉸接[2] ，如圖1.2中Ⅲ區域所示。
（3）半剛性連線。如圖1.1（c）所示，樑柱間有相對轉動，能承受剪力和一定的彎矩，具有一定的剛度，如圖1.2中Ⅱ區域所示。
圖1.1 鋼框架樑柱連線結構的受力與變形形式
為了區分鋼結構樑柱連線的類型，《歐洲鋼結構設計規範（EC3）》[3] 給出量化的分類方法，如圖1.3所示。當樑柱連線的彎矩?轉角關係曲線處於實線（無支撐框架）或實線以左時，為剛性連線；當樑柱連線的彎矩?轉角關係處於虛線以右時，
為鉸支連線；介於兩者之間的為半剛性連線。
圖1.3 《歐洲鋼結構設計規範（EC3）》的樑柱連線分類方法
鉸支連線構造簡單，但剛度較低，對結構變形不利，適用於次要構件的連線；半剛性連線具有較好的綜合經濟指標，但對結構的變形和承載能力有一定影響，適用於單層門式鋼架或低層框架結構的連線；剛性連線剛度大，承載力高，受力性能好，但對節點加工製作要求較高。對於多、高層建築鋼結構樑柱連線大多採用剛性連線，傳統樑柱剛性連線的主要構造形式有三種。
（1）全焊接節點[圖1.4（a）]，梁的上下翼緣和腹板均與柱採用焊接連線，翼緣與柱採用全熔透坡口焊，腹板採用角焊縫與柱相連；
（2）栓焊混合節點[圖1.4（b）]，梁的上下翼緣採用全熔透坡口焊，腹板採用高強螺栓與柱相連；
（3）全栓接節點[圖1.4（c）]，梁翼緣和腹板均採用高強螺栓與柱連線。
圖1.4 樑柱剛性連線構造形式
1.1.2 傳統鋼結構樑柱連線節點的震害分析
圖1.4（b）所示為傳統樑柱栓焊混合剛性連線，這種連線形式在1994年美國北嶺（Northridge）地震和1995年日本阪神（HanshinAwaji）地震之前得到了大量套用，主要套用於多、高層鋼框架建築結構中。當時普遍認為這種按抗震設計的鋼
第1章 緒論
框架，在強震作用下節點能夠基於材料的延性，保證結構產生塑性變形，在梁內而不是柱內產生塑性鉸，通過塑性區的形成和轉動耗散地震輸入的能量，使節點免於破壞，並保證結構的整體性使其免於倒塌，實現“強柱弱梁”、“強節點弱桿件”的設計思想。然而，在美國北嶺和日本阪神地震中，這種傳統樑柱剛性連線節點並沒有表現出人們所期待的延性，而是產生了大量的脆性破壞，導致大量鋼框架出現斷裂和倒塌，造成了巨大的經濟損失。圖1.5給出1994年美國北嶺地震震後觀察到的樑柱連線焊縫處的失效模式[4～6] 。
圖1.5 美國北嶺地震中樑柱焊接節點的失效模式
圖1.5（a）的失效模式是一種很普遍的斷裂形式，焊縫與柱翼緣完全脫離開。但許多情況下裂紋並不總沿著焊縫和柱的界面擴展。在很多情況中，斷裂從墊板和柱的交界處開始，然後沿柱翼緣母材擴展，最後撕下一部分柱翼緣母材[圖1.5（c）]，而裂紋如圖1.5（d）所示在柱翼緣中停止擴展的情形更多。圖1.5（e）所示裂紋從焊趾產生並擴展穿透梁翼緣的熱影響區，這種在試驗研究中常見的情形在北嶺地震中並不多見。其餘的連線失效主要發生在柱截面中，柱翼緣的層狀撕裂[圖1.5（f）]、柱翼緣開裂[圖1.5（g）]，甚至擴展到柱的腹板中[圖1.5（h）]，這種情形較前者更為顯著。柱翼緣的開裂與連線處的翼緣應變狀況有關，進而與截面尺寸、鋼材型號、焊接工藝、焊接質量、連線構造細節和外力有關。也有少數柱腹板中的裂紋向上擴展至樑上翼緣連線處的情形。
1995年日本阪神地震中樑柱焊接節點斷裂模式如圖1.6所示[6，7] ，圖中“1”表示翼緣斷裂，“2”和“3”表示熱影響區斷裂，“4”表示橫隔板斷裂，上述連線發生破壞時，梁翼緣已有顯著屈服或局部屈曲現象，該現象在美國北嶺地震中沒有出現。另外，對比圖1.5和圖1.6可以看出，兩次地震中樑柱節點的斷裂模式明顯不同，
阪神地震中裂紋主要向梁一側擴展，如圖1.6所示，而北嶺地震中裂紋主要向柱一側擴展，這種差別與樑柱節點的構造形式有關。
圖1.6 日本阪神地震中樑柱焊接節點的失效模式
根據美國聯邦突發事件管理局（FederalEmergencyManagementAgency，FEMA）等研究機構進行的試驗研究表明[8~10] ，傳統鋼框架樑柱節點連線引起破壞的主要原因如下。
（1）樑柱連線處存在較為嚴重的應力狀態。圖1.7（a）為地震作用時鋼框架橫樑的彎矩分布，圖1.7（b）、（c）為梯形鋼板模擬在地震力作用下，翼緣板L1段在遠端受一均勻應力場作用的變截面鋼板受均勻外力作用，由於固定端的約束作用產生應力/應變集中現象，塑性應變無法擴散而集中於端部，又因為該處截面最薄弱，所以此處的梁端彎矩和剪力必須通過梁翼緣端部與柱翼緣的連線焊縫和剪下板傳給柱，但這些部位的截面面積和截面模量一般都小於被連線的梁本身，結果使該部位產生很高的應力集中，造成脆性斷裂。
圖1.7 鋼框架梁端應力分布
（2）梁下翼緣與柱翼緣間的連線焊縫通常都是在現場俯焊，焊工一般騎在梁的上翼緣。在此位置施焊，每一條焊道在梁腹板處都要中斷、中止或重新引弧，這種焊接方式導致該部位的焊縫質量很差，含有熔渣、不熔和其他缺陷。當連線受到高應力或有很大變形要求時，這些缺陷成為裂縫的發源地。
（3）連線的基本形式使得工程人員很難對梁翼緣與柱翼緣連線焊縫根部隱藏的缺陷進行檢查。通常焊接襯板在施焊完畢後都留在原處，對焊根的外觀檢查形成障礙。因此，主要檢測方法是進行超音波探傷，但是節點的幾何形狀使超音波探傷很難可靠地查出在梁翼緣焊縫根部的裂縫，特別是在焊縫中部腹板附近的裂縫，形成引發裂縫的源頭。
（4）樑柱連線的典型設計模式是假設梁的彎曲應力全部由翼緣承受，剪力由腹板承受，但實際上由於柱變形出現的邊界條件，梁翼緣在連線處承受了很大一部分梁的剪力。其結果導致梁翼緣不但在柱面處承受很大的彎曲應力，而且在焊縫中產生了很大的次應力。這種效應引起的應力集中對樑柱翼緣間全熔透焊縫焊根部位的承載力提出了很高要求，而該部位常常存在很多熔渣和嚴重的不連線，很容易引發裂縫。
（5）梁翼緣與柱翼緣連線處的鋼材，因受約束而不能運動，當柱翼緣較厚時此情況更為突出，這種約束情況使得該處鋼材不能屈服，在焊縫中引起局部高應力，加劇了焊縫缺陷引發裂縫的傾向。
（6）1985~1994年美國的設計規定鼓勵在樑柱節點中採用弱節點域。在過分弱的節點域中，組件的非彈性受力性能受節點域的剪下變形控制。節點域剪下變形導致樑柱翼緣間連線焊縫附近的柱翼緣出現局部彎折，進一步增加了該敏感區對應力和應變的需要。
（7）在20世紀60年代中期，建築工業推廣半自動焊，在現場焊接時採用藥芯焊條，安裝公司通常採用低衝擊韌性的焊條。當焊接速度過快時，會進一步加劇衝擊韌性降低，遺憾的是焊工的施焊速度一般較快，其結果使在帶有較大缺陷的焊縫中的應力接近梁鋼材的屈服強度。
（8）早期鋼框架一般設計成冗餘度較高的結構，幾乎所有的樑柱連線都成為抗側力體系中的一部分，結果造成構件截面較小。隨著勞動力費用的提高，採用較少的剛性連線可以省工，故樑柱構件做得較大。鋼框架構件對應變能力的要求與構件的跨高比有關，這樣，隨著構件截面增大，連線對脆性受力狀態更加敏感。
（9）20世紀60~70年代，對鋼框架開展了很多初期研究，鋼樑通常採用A36鋼（相當於Q235）。進入80年代，很多鋼廠採用現代化生產工藝，包括用廢鋼煉鋼，廢鋼中含有很多微合金元素，使得鋼材強度提高。儘管是用A36鋼製作的梁，但其實際屈服強度接近甚至超過50級鋼（相當於Q345）。由於母材屈服強度的提高，樑柱翼緣間的焊縫金屬與母材不匹配，對連線發生破壞有一定影響。
1.2 鋼框架塑性鉸外移新型抗震節點的類型和設計原理
為解決傳統鋼框架樑柱連線節點焊縫脆性開裂問題，各國學者針對樑柱連線節點的抗震性能及延性開展了大量的試驗研究。強柱弱梁、節點更強的試件可以發揮梁的塑性承載力，形成梁鉸破壞機構，從而具有較大的塑性變形能力和耗能能力，即具有良好的抗震性能[11～21]。解決鋼框架連線抗震性能問題的基本途徑是將塑性鉸外移，通過對鋼樑截面進行削弱或加強，使強震時梁的塑性鉸自柱面外移，從而避免脆性破壞。雖然兩種形式的目的相同，但各有特點，前者通過對距樑柱連線處一定距離的梁翼緣或者腹板進行削弱，後者則是對梁翼緣加設過渡板或腋板等構造措施，促使梁端塑性變形在削弱區或加強區末端的位置出現並擴展，使強震時梁的塑性鉸自柱面外移，從而避免節點過早出現裂縫發生脆性破壞，以達到延性設計目的。
1.2.1 削弱型節點
削弱型節點包括梁腹板開孔型、梁腹板切縫型和梁翼緣削弱型（reducedbeamsection，RBS）三種連線形式，如圖1.8所示。
圖1.8 梁削弱型連線形式
削弱型節點的設計思想是根據地震彎矩梯度對節點附近鋼樑上某一選定區域進行削弱，使得削弱後區域的截面抵抗彎矩梯度等於該區域截面地震彎矩需求梯度。由於塑性鉸總是在結構M/Mu最大截面處首先出現，而削弱區域各截面的M/Mu值大小相等且比樑上其他截面的M/Mu值大，因此，樑上事先選定的削弱區域能同時進入塑性狀態，從而獲得一個放大的塑性區域，達到塑性鉸外移的設計目的，如圖1.9所示。
