历史上,对钢结构建筑发展产生过重大影响的地震中,阪神大地震绝对是其中之一,震级为7.3级,对房屋的破坏十分严重:
1995年发生了阪神大地震,从下面的统计图我们可以看出,在当年的历史时期内,钢结构建筑在当地经历了35年的快速发展,几乎有一半的建筑都是钢结构。
日本60年来钢结构建筑规模的变化趋势
钢结构建筑最脆弱的部位就是节点,梁柱连接根部由于受力最大,经常发生断裂。为了避免这种情况钢结构梁柱连接方式,目前的设计中有很多方法可以达到“强节点、弱构件”的目标。今天我们就来聊聊有哪些处理方法。
阪神大地震钢结构受损照片
“强节点和弱组件”一览
“强节点弱部件”,顾名思义,处理方式有两种:强化节点,部件自然就会相对较弱;弱化部件,节点自然就会相对较强。
强化节点
1.法兰盖加强型
2. 扩径翼缘板加强型
3. 垂直单肋加强型
4.翼缘内板或加劲板加固
部件被削弱
1. 法兰半径切割(RBS)
2.法兰梯形切割
3.法兰钻孔强度减弱
1 法兰盖加强
将钢板直接焊接在梁的上下翼缘外缘,这样不仅可以有效提高梁的抗弯能力,而且对建筑的使用空间影响也相对较小。同时,这些焊接钢板的形状可以根据梁构件在与柱连接处附近的弯矩梯度进行调整,使其符合梁的受力状况。这样可以减少梁柱连接界面处的应力,并有效地将塑性铰移出柱端。
法兰板加强
2 法兰板加强型
通过增加梁翼缘宽度来提高梁构件的弯矩承载力,可根据地震力的弯矩需求设计增加的梁翼缘宽度,以减少柱面的应力需求,迫使梁塑性铰远离柱面。切割式胀接翼缘适用于焊接H型钢,焊接胀接翼缘适用于热轧H型钢。在受力性能方面,焊接式容易产生残余应力和变形,不如切割式。这种类型的胀接翼缘板可能会影响建筑物的局部效果。
法兰板加强
3 垂直单肋加强型
此单肋板由最大加强段、圆弧段、延伸段三部分组成,这样设计的目的是为了更有效地改善地震时焊接扇形开孔附近的应力集中问题,使塑性变形更加均匀,从而提高建筑结构整体的安全性和抗震性。
垂直单肋加强
4 翼缘内板或加强筋加固
此加固措施包括在梁的一侧放置一块加固板,以及在同一侧放置两块加固板。除了用于新建钢结构外,此方法也可用于既有钢结构,使加固施工在不影响建筑楼面的情况下更加可行。
翼缘内板或加强筋加固
5 法兰半径切割 (RBS)
这种弱化范例源自 FEMA 350 和 ANSI/AISC 358-10,采用翼缘半径切割细节钢结构梁柱连接方式,称为“减小梁截面”(简称 RBS)。由于 RBS 设计和构造相对简单,它在工程界获得了广泛的欢迎,并在世界各地得到了广泛应用。
法兰半径切割 (RBS)
6 法兰梯形切割
此梯形切割区是根据梁的弯矩需求的梯度变化而设计的,目的是将地震力作用下产生的塑性转角集中在整个切割区,形成一个扩大的塑性区,这种形式的设计和施工比圆弧要简单。
法兰梯形切割
7 法兰钻孔减弱
这种方法通过在梁的特定区域钻孔来降低梁上下翼缘的抗弯强度。目的是使地震力作用下产生的塑性变形集中在钻孔区域,减少传递到柱节点的弯矩需求,从而降低节点处发生脆性破坏的概率。
法兰钻孔减弱
概括
以上就是七种不同的“强节点、弱构件”方式,对于具体项目来说,究竟哪一种更适合,就看设计师的选择。
因此,如果设计师在选择方案时有更多的时间进行比较和分析,那么后续施工中的效率节省将会非常显著。
如果大家有兴趣的话,后面我会详细讲一下阪神大地震对建筑钢结构的影响。
参考:《钢结构梁柱弯曲节点设计手册及参考图纸》