钢框架超低周疲劳破坏的焊接梁柱节点探究

焊接钢框架结构体系曾经一度被工程师认为是最有效的一种结构体系，但这种信仰在1994年的美国北岭地震过后发生了动摇，该地震中大量钢框架焊接梁柱节点发生脆性断裂（FEMA-288，1997；FEMA-350，2000），断裂主要发生在梁下翼缘的熔合区。正好一年后，另外一个脉冲式强震袭击了日本兵库县南部（又称1995年神户地震或阪神地震），该地震也引起了众多焊接钢框架建筑和桥梁的断裂破坏（AIJ，1995；Bruneau，et al.，1996）。虽然1995年神户地震中断裂的焊接梁柱节点在断裂前发生了较大的塑性变形，但节点最终的破坏模式为脆性断裂。经过两次强震，学者们对此开展了一系列研究，致力于阐明相关的破坏机理（Iwashita，et al.2003；Jia and Kuwamura，2014，2015；Xiang，et al.，2017；Kuwamura and Yamamoto，1997；Ramirez，et al.，2012）。此外，一些学者试图通过节点或构件的新型构造改善焊接框架结构的抗震性能，如狗骨式梁削弱节点、盖板/加腋/侧板加强梁节点以及楔形梁翼缘节点等（Chen and Lin，2013；Chi and Uang，2002；Gilton and Uang，2002；Jones，et al.，2002；Kim，et al.，2002；Sumner and Murray，2002）。在两次强震后的试验和数值研究基础上，美国和日本分别制订了改善焊接钢结构抗震性能的设计建议（FEMA-350，2000；The Building center of Japan，2003）。北岭地震后，美国加州结构工程师协会（SEAOC）、应用技术委员会（ATC）以及地震工程研究大学联合会（CUREE）共同成立了SAC合资公司，该公司发起了一系列研究项目，研究经费由美国联邦应急管理局（FEMA）和加州应急服务事务所（OES）资助。相关研究包括北岭地震震前结构的文献调查和数据收集、收集数据的评估、损伤和未损伤建筑的计算分析、一系列采用典型震前设计和施工方法建造的梁柱子结构的实验室足尺试验研究、维修、升级加固和备选的设计细节等。很多相关的研究成果被收录在FEMA的研究报告中（FEMA-288，1997；FEMA-350，2000；FEMA-351，2000；FEMA-352，2000；FEMA-355a，2000）。日本东京大学的Kuwamura教授通过对神户地震后的钢结构断面进行电镜观察，首先阐明了焊接钢结构框架脆性断裂的机理，并指出在脆性断裂发生前首先发生延性裂纹萌生，然后延性裂纹稳定扩展，最终当裂纹扩展到一定尺寸后发生脆性断裂，节点因而突然丧失承载力（Kuwamura and Yamamoto，1997）。鉴于脆性断裂可能的破坏性后果，有必要首先研究上述断裂过程的前两个阶段，即延性裂纹萌生和延性裂纹扩展。

上述焊接梁柱节点的超低周疲劳断裂与之前提到的钢构件的屈曲后延性断裂有所不同，前者断面可分为两个明显不同的断裂区域，即延性和脆性断面。导致这样不同的原因主要有以下因素：梁柱节点复杂的几何拓扑会导致应力-应变集中；焊接热输入会造成焊接热影响区的晶粒变大，材料延性和韧性降低；焊接材料、热影响区和母材的材质不连续；可能的焊接缺陷；等等。(www.xing528.com)

金属结构超低周疲劳寿命的准确评估需要首先阐明其延性断裂机制，因为大多超低周疲劳破坏都是由于延性裂纹的萌生和扩展引起的。因此，延性断裂的预测对于延性和脆性断裂问题都有重要的意义。此外，延性断裂相关理论还可用于评估延性金属材料、构件、耗能组件、节点乃至整体结构的变形能力和耗能能力，这对于新型金属阻尼器和金属结构体系的研发、金属结构的损伤评估具有重要的理论和工程意义。