近三十年来各种类型的钢结构在我国获得了大范围的应用,其快速发展促进了对它们设计方法的研究。由于研究手段的现代化,钢结构稳定理论、抗震设计理论和组合结构理论都取得了巨大的进展,钢结构及其配套新技术也不断出现。虽然钢结构应用广泛,钢结构设计规范也已经进入第 4 个版本即 2017 版本,但是钢结构设计仍存在很多亟待改进的地方,例如外露式柱脚的锚栓能否参与抗剪以及抗剪承载力如何计算,外包式柱脚的外包混凝土层是钢柱的支座还是与钢柱共同工作形成了钢骨混凝土(SRC)柱,抗震结构的梁柱节点域应设计成强节点域还是弱节点域,等等。浙江大学童根树教授在参与钢结构相关规范的过程中对这些问题进行了一些思考,并带领团队进行了相关深入研究,在重视理论的同时也偏向工程应用,积累了很多很好的设计经验。为进一步促进和推动我国钢结构设计方法和技术的发展,《钢结构(中英文)》编辑部特邀童根树教授将其在钢结构设计研究中的新观点、新方法和新结果进行系列介绍,以飨读者,并欢迎大家交流和探讨。

图 1 为梁柱节点域。可知,水平荷载作用下节点域承受剪应力。钢材的剪切屈服,具有很优秀的变形能力和滞回性能,因此有偏心支撑框架(EBF)的剪切型耗能梁段,EBF也被划入抗震性能最好的一类结构体系。

图 1 梁柱节点域

因此美国在经过一些梁柱节点域抗震性能试验后,在其钢结构设计规定中引入了弱节点域的设计思路。但是从可以查到的资料(UBC1994),1994年他们已经从弱节点域的设计思路上后腿。

弱节点域是指采用式(1)验算节点域:

式中: M_pb1 ,M_pb2 分别是左右钢梁的塑性弯矩; h_b1 ,h_c1 ,t_pz 分别是钢梁上下翼缘中面距离、钢柱左右翼缘中面距离,节点域的板厚; f_vy 是节点域钢材的剪切屈服强度。式(1)右侧还有承载力提高系数 4/3,一方面是考虑在左侧未减去上下柱段内的剪力,另一方面梁柱翼缘对抗剪承载力也有贡献。

危害之一:如图 2 所示,节点域剪切屈服,节点域变形成了菱形,钝角处的梁柱翼缘焊缝,本身就承担了较大的拉应力和竖向剪应力,现在因为节点域屈服,被迫产生横向拉应变,而这个方向的应力集中非常严重,因此极大地增大了梁柱焊缝破坏的风险。

图 2 节点域剪切屈服后的变形

危害之二:它彻底破坏了框架设计方法。框架的设计方法中要求梁发挥其截面强度(塑性弯矩)并要求有塑性变形能力,梁柱节点也要求能够承担传递梁的塑性弯矩。

但是采用式(1)验算节点域,就会带来薄弱环节,如图 3 所示,左右翼缘的拉力被要求能够达到T , 但是与这左右翼缘的力平衡的力只能达到1.4T,这导致左右翼缘内的力也上不去, 只能增加到 0.7T, 于是梁端的弯矩只能达到 0.7M_pb 。

图 3 薄弱环节控制了最大承载力

图 4 节点域剪切屈服的危害

危害之三: 节点域剪切塑性变形的不断增大,节点域出现塑性流动,这一塑性流动要求柱轴力卸载。因为柱轴力是重力荷载产生的,地震过程中来不及卸载也不可能卸载,这就被要求完成一件不可能完成的任务,于是无法获得静力平衡,只好进入动力平衡,即地震引发的振动有加大的可能。

腹板竖向应力卸载向两个翼缘,而翼缘本身已经承担了较大的轴力和弯矩产生的竖向应力,无能力接受这一卸载,导致翼缘较早局部屈曲。

图 5 给出了采用塑性流动理论获得的竖向应力卸载情况,竖向应力从开始剪切屈服的 100 MPa 卸载到了 80 MPa, 剪应力则从 122.78 MPa 增加到了127.57 MPa。

a—刚出现剪切屈服; b—塑性流动后应力。

图 5 节点域剪切塑性流动

综上所述,节点域应被设计得更强,如采用如下公式: 

中柱节点:

边柱节点:

式中: V_p 是节点域的体积, σ_c 是地震作用工况的荷载组合下钢柱内的竖向轴力引起的应力,即式中用Mises 屈服准则考虑了轴力对节点域剪切承载力的影响。式中右侧的系数从 4/3 降为 5/4 ,左侧对中柱节点采用较小的系数(0.8,0.9)是因为中柱两侧一个一根梁进入塑性,另一侧的梁进入塑性很晚,边柱则不存在这样的情况,所以采用(1.0,1.1)。式(2a)比式(1)要求高 40% 左右,式(2b)比式(1)要求高 70%左右。

在节点域的规定上,《钢结构设计标准》GB50017—2017 的第 17 章目前相对到位。

知识点：梁柱弱节点域的危害

节点域超筋