1、钢结构设计简单步骤和设计思路 (一) 判断结构是否适合用钢结构 （这个问题实际上一般和结构选型联系在一起）。 钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。直观的说：大厦、体育馆、歌剧院、大桥、电视塔、仓棚、工厂、住宅和临时建筑等。这是和钢结构自身的特点相一致的。 （材料的选用还应考虑：材料的综合成本，施工周期，是否就地取材，以及使用环境） (二) 结构选型与结构布置 此处仅简单介绍. 详请参考相关专业书籍.由于结构选型涉及广泛,做结构选型及布置应该在经验丰富的工程师指导下进行。 在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的
2、是概念设计,它在结构选型与布置阶段尤其重要. 对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。 运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时，它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。 林同炎教授在结构概念和体系一书中介绍了用整体概念来规划结构方案的方法，以及结构总体系和个分体系间的相互力学关系和简化近似设计方法。20 钢结构通常有框架、平面(木行)
3、架、网架（壳）、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。 其理论与技术大都成熟。亦有部分难题没有解决,或没有简单实用的设计方法，比如网壳的稳定等。 结构选型时，应考虑它们不同的特点。在轻钢工业厂房中，当有较大悬挂荷载或移动荷载，就可考虑放弃门式刚架而采用网架。基本雪压大的地区，屋面曲线应有利于积雪滑落（切线50度内需考虑雪载 ），如亚东水泥厂石灰石仓棚采用三心圆网壳。总雪载释放近一半。降雨量大的地区相似考虑。建筑允许时，在框架中布置支撑会比简单的节点刚接的框架有更好的经济性。而屋面覆盖跨度较大的建筑中，可选择构件受拉为主的悬索或索膜结构体系。高层钢结构设计中，常采用钢混凝土组合结构，在地震烈度高或很不规则
4、的高层中，不应单纯为了经济去选择不利抗震的核心筒加外框的形式。宜选择周边巨型SRC柱，核心为支撑框架的结构体系。我国半数以上的此类高层为前者。对抗震不利。19 结构的布置要根据体系特征,荷载分布情况及性质等综合考虑.一般的说要刚度均匀.力学模型清晰.尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围,使其以最直接的线路传递到基础. 柱间抗侧支撑的分布应均匀.其形心要尽量靠近侧向力(风震)的作用线. 否则应考虑结构的扭转. 结构的抗侧应有多道防线. 比如有支撑框架结构,柱子至少应能单独承受1/4的总水平力. 框架结构的楼层平面次梁的布置,有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。通常为了减小截面沿短向布置次
5、梁，但是这会使主梁截面加大，减少了楼层净高,顶层边柱也有时会吃不消，此时把次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱子. （钢结构整体布置应考虑结构的使用，荷载尽量均匀传递，支撑等耗能构件及连接的布置，结构的美学价值） (三) 预估截面 结构布置结束后，需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。 钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1/201/50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算，这种方法很受欢迎。 确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规
6、定预估。 柱截面按长细比预估. 通常50150, 简单选择值在100附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同,可选择钢管或H型钢截面等. 初学者需注意，对应不同的结构，规范中对截面的构造要求有很大的不同。 如钢结构所特有的组成构件的板件的局部稳定问题。在普钢规范和轻钢规范中的限值有很大的区别。 除此之外，构件截面形式的选择没有固定的要求，结构工程师应该根据构件的受力情况，合理的选择安全经济美观的截面。 （初学者可以参考以前的设计，一定要多调整几次，积累概念） (四) 结构分析 目前钢结构实际设计中,结构分析通常为线弹性分析,条件允许时考虑P-,p-. 新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非
7、线性及钢材的弹塑性能.这为更精确的分析结构提供了条件。并不是所有的结构都需要使用软件: 典型结构可查力学手册之类的工具书直接获得内力和变形. 简单结构通过手算进行分析. 复杂结构才需要建模运行程序并做详细的结构分析. （建议应学习一些手算技巧） (五) 工程判定 要正确使用结构软件，还应对其输出结果的做工程判定。比如，评估各向周期、总剪力、变形特征等。根据工程判定选择修改模型重新分析,还是修正计算结果. 不同的软件会有不同的适用条件.初学者应充分明了.此外,工程设计中的计算和精确的力学计算本身常有一定距离, 为了获得实用的设计方法,有时会用误差较大的假定, 但对这种误差, 会通过适用条件、概念
8、及构造的方式来保证结构的安全. 钢结构设计中,适用条件、概念及构造是比定量计算更重要的内容. 工程师们不应该过分信任与依赖结构软件.美国一位学者曾警告说：“误用计算机造成结构破坏而引起灾难只是一个时间的问题。” 注重概念设计和工程判定是避免这种工程灾难的方法. (六) 构件设计 构件的设计首先是材料的选择. 比较常用的是Q235(类似A3)和Q345(类似16Mn). 通常主结构使用单一钢种以便于工程管理. 经济考虑,也可以选择不同强度钢材的组合截面. 当强度起控制作用时,可选择Q345; 稳定控制时,宜使用Q235. 构件设计中,现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面.这和结构内力计算的弹性
9、方法并不匹配. 当前的结构软件,都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步,一些软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级.并自动重新分析验算，直至通过，如sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。 但是，初学钢至少应注意两点： 1.软件在做构件(主要是柱)的截面验算时,计算长度系数的取定有时会不符合规范的规定.目前所有的程序都不能完全解决这个问题。所以,尤其对于节点连接情况复杂或变截面的构件,结构师应该逐个检查. 2.当上面第(三)条中预估的截面不满足时，加大截面应该分两种情况区别对待。 (1) 强度不满足,通常加大组成截面的板件厚度，
10、其中,抗弯不满足加大翼缘厚度，抗剪不满足加大腹板厚度。 (2) 变形超限，通常不应加大板件厚度，而应考虑加大截面的高度，否则，会很不经济。 使用软件的前述自动加大截面的优化设计功能，很难考虑上述强度与刚度的区分，实际上，常常并不合适。 (七) 节点设计 连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一.在结构分析前,就应该对节点的形式有充分思考与确定.常常出现的一种情况是,最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致,这必须避免. 按传力特性不同,节点分刚接,铰接和半刚接. 初学者宜选择可以简单定量分析的前两者.常用的参考书2有丰富的推荐的节点做法及计算公式. 连接的不同对结构影响甚大.比如,
11、有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题,但会产生较大转动, 不符合结构分析中的假定. 会导致实际工程变形大于计算数据等的不利结果. 连接节点有等强设计和实际受力设计两种常用的方法, 初学者可偏安全选用前者.设计手册2中通常有焊缝及螺栓连接的表格等供设计者查用,比较方便. 也可以使用结构软件的后处理部分来自动完成. 具体设计主要包括以下内容: 1.焊接: 对焊接焊缝的尺寸及形式等,规范有强制规定,应严格遵守. 焊条的选用应和被连接金属材质适应.E43对应Q235,E50对应Q345. Q235与Q345连接时,应该选择低强度的E43,而不是E50. 焊接设计中不得任意加大焊缝. 焊缝的重心应尽量与被连
12、接构件重心接近.其他详细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定. 2.栓接: 铆接形式,在建筑工程中，现已很少采用. 普通螺栓抗剪性能差, 可在次要结构部位使用. 高强螺栓,使用日益广泛.常用8.8s和10.9s两个强度等级.根据受力特点分承压型和摩擦型.两者计算方法不同. 高强螺栓最小规格M12. 常用M16M30. 超大规格的螺栓性能不稳定,设计中应慎重使用。 自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接. 国外在低层墙板式住宅中,也常用于主结构的连接. 3.连接板: 可简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm. 然后验算净截面抗剪等. 4.梁腹板: 应验算栓孔处腹板的净截面抗剪.承压型高强螺栓连接还需验算
13、孔壁局部承压. 5.节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。构件运到现场无法安装是初学者长犯的错误。此外，还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。 6.节点设计还应考虑制造厂的工艺水平. 比如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成. (八) 图纸编制 钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段，设计图为设计单位提供，施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制，有时也会由设计单位代为编制。由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾，有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。 1.设计图: 是提供制造厂编制施工详图的依据. 深度及内容应
14、完整但不冗余. 在设计图中,对于设计依据、荷载资料（包括地震作用）、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求（包括制造和安装、焊缝质量检验的等级、涂装及运输等）、结构布置、构件截面选用以及结构的主要节点构造等均应表示清楚，以利于施工详图的顺利编制，并能正确体现设计的意图。主要材料应列表表示。 2.施工详图:又称加工图或放样图等.深度须能满足车间直接制造加工.不完全相同的另构件单元须单独绘制表达，并应附有详尽的材料表. 设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制，目前比较混乱，各个设计单位之间及其与钢结构公司之间不尽相同。 初学者可参考他人的优秀设计并参考相关的工具书3，并依据规范规定编制。北
15、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
16、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
17、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、日两国梁柱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
18、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 O0
19、15rad(165)，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
20、度，是SAC经过研究后确定的目标值003弧度的16，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
21、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
22、司支付了大量的修复费用。仅就检查费用而言，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1000-2000美元，对于有石膏抹灰和吊顶的高级住宅，每个节点达2000-5000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问题提出了疑问，必须认真研究和解决。 22 日本贩神地震后对钢框架节点破坏的调查 阪神地震后，日本建设省建筑研究所成立了地震对策本部，组织了各方面人士多次参加的建筑应急危险度和震害的调查，民间有关团体也开展了各类领域的震害调查，但因钢结构相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，钢框架节点的破坏主要表现在扇形切
23、角(scallop)工艺孔部位，但因结构体被内外装修所隐蔽，一般业主、设计或施工人员对此震害调查不太积极，对钢框架系统震害的调查遇到一定困难。仅管如此， 日本学者还是就腹板切角工艺孔方面的问题进行了探索，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的研究。 日本对于混合连接的研究，早在1978年以后的石油危机中，就曾利用建筑处于低潮机会结合自屏蔽电弧焊的出现和应用，系统地开展过。进入90年代后，随着高层、超 高层和大跨度钢结构建筑的增多，梁柱截面增大，若采用过去的梁悬臂段形式，由于运输 尺寸上的限制，悬臂长度大致不能超过1m；另一方面，由于梁翼缘板厚增大
24、，拼接螺栓增多，结果梁端至最近螺栓的距离只有500mm左右，截面受到很大削弱，对保证梁端塑性 变形很不利。这样，在大型钢结构工程中，现在较多采用梁与柱的混合连接。图1是采用箱形柱时的混合连接示意图梁翼缘与箱形柱隔板直接焊接7 。 日本在美国北岭地震前不久，曾对此种连接进行了试验研究，结果表明，梁端翼缘焊 缝处的破坏几乎都是在梁下翼缘从扇形切角工艺孔端开始的，没有看到象在美国试验中和地震中出现的沿焊缝金属及其边缘破坏的情况，通过试验和版神地震观察到的梁端工艺孔 处的裂缝发展情况。 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的两种节点试验。 美、日两国钢框架在地震中的梁柱节点破坏形式是有
25、区别的，北岭地震中的裂缝多向柱段范围扩展，而阪神地震中的裂缝则多向梁段范围发展。对两国节点破坏情况的这种差异与其与构造差异的关系，还有待进一步探讨。 3节点破坏原因与分析 北岭地震后，美日两国学者就节点破坏原因，通过现场调查、室内试验和现场检验，进行了结构响应分析、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一些看法。首先认为节点破坏与加劲板、补强板腹板附加焊缝等的变动，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的，而是应从节点本身存在根本性缺陷方面去找原因。有以下几方面因素，被认为是决定和和影响节点性能而导致了破坏。 31 焊缝金属冲击韧性
26、低3 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，试验室试件和从实际破坏的结构中取出的 连接试件在室温下的试验表明，其冲击韧性往往只有10-15J，这样低的冲击韧性使得连接很易产生脆性破坏，成为引发节点破坏的重要因素。在北岭地震后不久所作的大型验证性试验，对焊缝进行十分仔细的操作，做到了确保焊接质量，排除了焊接操作产生的影响。焊缝采用E70T-4型低韧性焊条，尽管焊接操作的质量很高，连接还是出现了早期破坏， 从而证明了焊接缝金属冲击韧性低,是焊接破坏的因素之一。 32 焊缝存在的缺陷3 对破坏的连接所作调查
27、表明，焊接质量往往很差，很多缺陷可以看出明显违背了规范规定的焊接质量要求，不但焊接操作有问题，焊缝检查也有问题。很多缺陷说明，裂缝萌生在下翼缘焊缝中腹板的焊条通过孔附近，该处的下翼缘焊缝是中断的，使缺陷更为明显。该部位进行超声波检查也比较困难，因为梁腹板妨碍探头的设置。因此，主要的连接 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问题，因此可以认为是上翼缘焊缝破坏较少的原因之一。 33 坡口焊缝处的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，对连接的破坏具有重要影响。在加州大学进行的试验表明，衬板与柱翼缘之
28、间形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缝扩大，引起脆性破坏。 其它人员的研究也得出相同结果。 1995年加州大学Popov等所作的试验，再现了节点的脆性破坏，破裂的速度很高， 事前并无延性表现，因此破坏是灾难性的。研究指出,受拉时切口部位应力最大，破坏是三轴应力引起的，表现为脆性破坏，外观无屈服。他们还通过有限元模拟计算，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的地方开始,此一结论已为试验所证实。研究表明：大多数节点破坏都起源于下部衬板处。引弧板同样也会引发裂缝。 3.4 梁翼缘坡口焊缝出现的超应力3 北岭地震后对震前
29、节点进行的分析表明，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。超应力的出现因素有：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；在供焊条通过的焊接工艺孔处，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，很可能对节点破坏起了不利影响。Popov4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，然后向四周扩散。 岭前进行的大量试验表明,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
30、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，在试验荷载下由 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.应变集中的原因,不仅大于工艺孔 造成的不连续性，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了，使翼缘和 柱隔板上产生了二阶弯曲应力。这些试验与分析均指出，今后对节点性能的改进，不仅应 改善焊缝，而且还应降低梁翼缘坡口焊缝处的应力水平。 35 其它因素3 有很多其它因素也被认为对节点破坏产生潜在影响，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
31、；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。这些影响因素可能还需要一定时间进行争论, 才能弄清楚。 4 改进节点设计的途径 41 将塑性铰的位置外移234 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 面产生塑性铰的假定提出的。由于在北岭地震中发现梁在柱面并没有产生塑性变性，却出现了裂缝。切口处的破坏是由三轴应力引起的，从而导致了脆性破坏。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。试验表明，其节点转动能力不超过 O005rad，大大小于SAC建议的最小塑性转动能力003rad。另一方面，从受力情况看， 塑性铰出现在柱面附
32、近的梁上，还可能在柱翼缘的材料中引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，这些情况也可能导致脆性破坏。 因此，为了取得可靠的性能，最好还是将梁柱连接在构造上使塑性铰外移。将塑性 位置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削弱。钢梁中的塑性铰典型长度约为梁高的一半，当对节点局部加强时，可取塑性铰位置为距加强部分的边缘处梁高的13。节点局部加强固然也可使塑性铰外移， 但应十分注意不要因此出现弱柱，有背强柱弱梁的原则。 也有一部分专业技术人员认为，在构造上采取某些措施仍可使塑性铰出现在柱面附近， 这些措施包括限制构
33、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，在节点构件上消除缺口效应等。但是由于没有足够的研究来肯定这些建议，使得这种建议在美国迟迟未能落实。而将塑性铰自柱面外移的建议，试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。实际上，将梁截面减弱使塑性铰外移的方法，早在北岭地震以前即有学者提 出过，北岭地震后又作了研究，在技术上己较成熟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 今后在抗震框架中推荐采用何种节点形式，但从实际情况看，上述犬骨式连接已成
34、为主导形式3 。因它制作方便、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了 这种节点形式。 日本阪神地震后，没有象美国采用将塑性铰外移的方案。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形式，对节点构造特别是扇形切角工艺孔作了不少规定，目的也是消除可能出现的裂缝，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破坏的途径。 4.2 梁冀缘焊缝衬板缺口效应的处理116 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，现在则在
35、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 。正如前面曾指出的，在下翼缘的焊缝中部由于焊条通过切角困难，焊接和探伤操作都要被迫中断，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。研究表明，衬板也可不去除，而将衬板底面边缘与柱焊接，缺点是无法象去除衬板后能对焊缝进行仔细检查。 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，如果将上翼缘衬板边缘用焊缝封闭，试验表明并无 利影响，因此美国现时做法是上翼缘衬板仍然保留并用焊缝封口。
36、 坡口焊缝的引弧板，在上下翼缘处通常都切除，因为引弧和灭弧处通常都有很多缺用气切切除后还需打磨，才能消除潜在的裂缝源。 在消除衬板的缺口效应方面，日本是非常重视的。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装配，不论是否切角，均采用衬板，对其构造包括引弧板，分别作了详细规定。 43 扇形切角构造的改进89 在日本阪神大地震中，由于扇形切角工艺孔的端部起点存在产生裂缝的危险，是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问题。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
37、角可采用不同形状；对于柱贯通形和梁贯通形节点分别规定了不同的构造形式。 柱贯通型节点的扇形切角形式有两种，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。日本早就研究不设扇形切角以提高梁变形能力的方案， 在最近公布的技术规定中，根据目前的焊接技术水平已将此种方案付诸实施89 。 44 选用有较高冲击韧性的焊缝26 如前所述，焊缝冲击韧性不足会引起节点破坏。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-29时27J(相当于 -200F时 20ft-1bs)是合适的，可以发展成为事实上的标准。在最近美国的实际工程中，采用E71
38、T-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。 45 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通过较厚连接板焊接。在北岭地震前，就已有很多研究指出腹板焊接比栓接性能好，它能更好地传力，从而减小梁冀缘和翼缘坡口焊缝的应力。日本在阪神 地震前的研究也已指出，梁端腹板用高强度螺栓连接时，与焊接相比抗弯能力变小，塑性变形能力有明显差异，但在日本新规定中尚未看到与美国提出的相类似的要求。
39、 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情况，可以看到下列差异： 1)美国认为梁端不能产生塑性变形，采取了将塑性铰外移的基本对策，提出将节点局部加强或将梁局部削弱的方法，虽然目前尚无定论，但从实际发展情况看，因削弱梁截面 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铰外移的方法，而是采取在原构造的基础上消除裂缝的病灶的方法。 2)两国都注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震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一般较少，受力条件较有利以及
40、费用等原因，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装配两种情况)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通过处采用矩形切角(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，从有关震害情况报导看，没有发现这种形式的切角引发多少裂缝。日本为消除梁端扇形切角端部的应力集中，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形式的切角等，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形式。 4)美日两国都规定，节点按翼缘连接受弯矩和腹板连接受
41、剪力的要求设计。美国附加规定了当梁翼缘的受弯承载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，采用弯矩由翼缘连接承受，剪力由腹板连接承受的设计方法，螺栓一般配置一列。在94年的文献5中指出，现在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列，与以前的连接相比，抗弯承载力储备提高了， 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情况，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，日本
42、则尚无此规定。 5)与梁翼缘对应位置的柱加劲肋(美国叫做连续板)，日本一贯规定应比对应的梁翼缘 厚度大一级，认为这是关键部位，为此多用一点材料是很值得的。美国过去根据传递梁翼 缘压力的需要确定，考虑一部分内力由柱腹板直接传递，加劲肋厚度显著小于梁翼缘厚度。 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。有的文献认为，太厚了可能产生较大残余应力，最好用试验确定。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指标，严格焊接工艺的探伤要求。日本一贯重视焊接质量，还没有看到在这方面有什么新的规定。 7)美国
43、认为，钢材屈服点高出标准值较多是钢框架震害的重要原因之一，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，它使连接实际要求的承载力大大提高，当按设计不能满足时，就要出现破坏。根据美国型钢生产商研究会所作调查和建议，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提高到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提高。 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订的
44、。由于日本设计的我国高层钢结构建筑较多，我国的设计、 制作和安装人员对日本的钢结构构造方法比较熟悉，设计规定特别是节点设计，大部分是参照日本规定适当考虑我国特点制订的，部分规定吸收了美国的经验。美国北岭地震和日本阪神地震后所发表的报导，对我们有很大启示，在我国抗震规范中对高层钢结构的节点 设计拟提出如下建议： 1)将梁截面局部削弱，可以确保塑性铰外移，这种构造具有优越的抗震性能。根据美国报导，梁翼缘削弱后可将受弯承载力降至08Mp，因钢材用量要增多，结合我国情况作为 主要形式推广将难以接受，可将此方案列入了条文说明，必要时可参考采用。 2)参考日本新规定，将混合连接上端扇形切角的上部圆弧半径改
45、为10-15mm，与半径 35mm的切角相接；同时，规定圆弧起点与衬板外侧焊缝间保持10-15mm的间隔，以减小焊接热影响区的相互影响。至于日本采用的不开切角以及直通式不设切角的构造，因为我们没有经验，不敢贸然采用，有持今后对其性能进行验证后再作取舍。 3)在消除衬板的缺口效应方面，考虑割除衬板弄得不好会伤及母材，且费用较高，故采用角焊缝封闭衬板边缘的方法。上翼缘衬板影响较小，暂不作处理。下翼缘衬板边缘建议用6mm角焊缝沿下翼缘全宽封闭。因仰焊施工不便，角焊缝最多只能做到6mm；为了更 好地消除缺口效应，应要求焊沿翼缘全宽满焊。 4)在翼缘焊接腹板栓接的混合连接中，按照弯矩仅由翼缘连接承受和剪
46、力仅由腹板连接承受的原则设计时，在某些情况下是不安全的，因为当腹板的截面模量较大时，腹板要承受一部分弯矩。抗震规范修订草案除规定腹板螺栓连接应能承受梁端屈服时的剪力外， 还规定当梁翼缘截面模量小于梁截面模量70时，腹板螺栓不得少于2列，每列的螺栓数不得少于采用一列时的数量。 5)我国在梁翼缘对应位置设置的柱加劲肋，从一开始就注意到了日本的经验，规定了与梁翼缘等厚，北岭地震表明这样规定是适合的。 6)翼缘焊缝的冲击韧性要满足-30时27J的要求，这种试验我国过去没有做过，对于我国钢结构制作单位是否可以做到，需待调查后再确定是否列入。 这时要附带说明，美国SAC的有关规定是适用于美国3、4类地区，大体相当于7 度强、8、9度地区，我国6度地区可适当放宽。
