1.前言
1994年1月17日發(fā)生在美國加州圣費(fèi)南多谷地的北嶺地震（Northridge Earthquake）和 正好一年后1995年1月17日發(fā)生在日本兵庫縣南部地區(qū)的阪神地震（Hyogoken-Nanbu Earthquake）是兩次陸域型強(qiáng)震，都導(dǎo)致了焊接鋼框架梁-柱附性連接節(jié)點(diǎn)的廣泛破壞。震后兩國進(jìn)行了大量的調(diào)查和研究，揭示了破壞的原因，在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)鋼框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的技術(shù)措施。兩國在此期間都發(fā)表了不少論文，所作的討論開拓了人們的眼界，提供了對鋼框架的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的更多了解，對今后鋼框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有深遠(yuǎn)的影響。我們受中國建筑科 學(xué)研究院抗震所委托，對有關(guān)資料進(jìn)行了搜集、整理和歸納，現(xiàn)將其主要內(nèi)容在此作一介紹。
2.美日兩國鋼框架節(jié)點(diǎn)的破壞情況
兩國鋼框架破壞情況的報(bào)導(dǎo)，主要集中在梁柱混合連接節(jié)點(diǎn)上，因此本文也以梁柱混 合連接為主要對象?；旌线B接是一種現(xiàn)場連接，其中梁翼緣與柱用全熔透坡口對接焊縫連接，梁腹板通過連接板與柱用高強(qiáng)度螺栓連接。美國慣常采用焊接工字形柱，日本則廣泛采用箱形柱，僅在一個(gè)方向組成剛架時(shí)采用工字形柱。在梁翼緣連接處，工字形柱腹板上要設(shè)置加勁肋（美國稱為連續(xù)板），在箱形柱中則要設(shè)置隔板。
美、日兩國梁杠混合連接節(jié)點(diǎn)的典型構(gòu)造。在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)上，兩國都采用彎矩由翼緣連接承受和剪力由腹板連接承受的設(shè)計(jì)方法，美國還規(guī)定，當(dāng)梁翼緣承受的彎矩小于截面總彎矩的70％或梁腹板承受的彎矩大于截面總彎矩的30％時(shí)，要將梁腹板與連接板的角部用角焊縫焊接。日本則規(guī)定腹板螺栓連接應(yīng)按保有耐力即框架達(dá)到塑性階段時(shí)的承載力設(shè)計(jì)，螺栓應(yīng)設(shè)置2-3列，也是為了考慮腹板可能承受的的彎矩。梁翼緣處的柱加勁肋，美國過去根據(jù)傳力的需要由計(jì)算確定，其截面較小。日本根據(jù)構(gòu)造要求采用，其截面較大。
2.1 美國北嶺地震后對剛框架節(jié)點(diǎn)破壞的調(diào)查
從70年代以來，美國采用高強(qiáng)螺栓聯(lián)接鋼框架已很普遍，北嶺地震后出現(xiàn)破壞的有100多幢[3] （有的報(bào)導(dǎo)說90多幢[7] 、150多幢[1] 或200多幢[5] ）。為了弄清破壞的原因，北嶺地震后不久，在美國聯(lián)邦應(yīng)急管理局（FEMA）資肋下，有加州結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)（SEAOC）、應(yīng)用技術(shù)研究會(huì)（ATC）和加州一些大學(xué)的地震工程研究單位（CU）等組成了被稱為SAC和聯(lián)合動(dòng)機(jī)構(gòu)，對此開展了深入調(diào)查和研究，以便弄清破壞原因和提出改進(jìn)措施。
美國的鋼框架梁-柱連接，在50年代多采用鉚釘連接，60年代逐步改用高強(qiáng)度螺栓連接。為了評估栓焊混合連接的有效性，曾進(jìn)行過一系列試驗(yàn)，這種由翼緣焊縫抗彎和腹板螺栓連接抗剪的節(jié)點(diǎn)，美國以前規(guī)定其塑性轉(zhuǎn)角應(yīng)達(dá)到 O.015rad（≈1／65），但大量試驗(yàn)表明，塑性轉(zhuǎn)角的試驗(yàn)結(jié)果很離散，且出現(xiàn)了早期破壞，總的說來性能很不穩(wěn)定。北嶺地震前，德州大學(xué)教授Engelhardt就曾對這種連接在大震時(shí)的性能產(chǎn)生疑問，指出在大震時(shí)要密切注意，對它的的設(shè)計(jì)方法和連接構(gòu)造要進(jìn)行改進(jìn)[7] .北嶺地震證實(shí)了這一疑慮，為此SAC通過柏克萊加州大學(xué)地震工程研究中心（EERC） 等4個(gè)試驗(yàn)場地，進(jìn)行了以了解震前節(jié)點(diǎn)的變形響應(yīng)和修復(fù)性能為目的的足尺試驗(yàn)和改進(jìn)后的節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)。對北嶺地震前通常做法的節(jié)點(diǎn)及破壞后重新修復(fù)節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)表明全部試 驗(yàn)都觀察到了與現(xiàn)場裂縫類似的早期裂縫，試驗(yàn)的特性曲線亦與以前的試驗(yàn)結(jié)果相同，梁的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力平均為0.05弧度，是SAC經(jīng)過研究后確定的目標(biāo)值0.03弧度的1／6，說明北嶺地震前鋼框架節(jié)點(diǎn)連接性能很差，這與地震中的連接破壞是吻合的。而且破壞前 沒有看到或很少看到有延性表現(xiàn)，與設(shè)想能發(fā)展很大延性e6鋼框架設(shè)計(jì)意圖是違背的。 焊接鋼框架節(jié)點(diǎn)的破壞，主要發(fā)生在梁的下翼緣，而且一般是由焊縫根部萌生的脆性破壞裂紋引起的。裂紋擴(kuò)展的途徑是多樣的，由焊根進(jìn)入母材或熱影響區(qū)。一旦翼緣壞了， 由螺栓或焊縫連接的剪力連接板往往被拉開，沿連接線由下向上擴(kuò)展。潛在危險(xiǎn)的是由焊縫根部通過柱翼緣和腹板擴(kuò)展的斷裂裂縫。從破壞的程度看，可見裂縫約占20-30％，大量的是用超聲波探傷等方法才能發(fā)現(xiàn)的不可見裂紋。裂紋在上翼緣和下翼緣之間出現(xiàn)的比例為1：5-1：20，在焊縫和母材上出現(xiàn) 的比例約為1：10到1：100.一般認(rèn)為，混凝土樓板的組合作用減小了上翼緣的破壞，也有人認(rèn)為上翼緣焊縫根部不象下翼緣那樣位于梁的最外側(cè)，因此焊根中引起的應(yīng)力較低，減少了上翼緣破壞的概率[1] .美國斯坦福大學(xué)Krawinkler教授對北嶺地震中幾種主要連接破壞形式作了歸納， 由下翼緣焊縫根部開始出現(xiàn)的這樣或那樣的破壞，最多的是沿焊縫金屬的邊緣破壞，另有沿柱翼緣表面附近裂開的剝離破壞，也有沿腹板板切角端部開始的梁翼緣斷裂破壞，或從柱翼緣穿透柱腹板的斷裂破壞 .北嶺地震雖然沒有使鋼框架房屋倒塌，也沒有因鋼框架節(jié)點(diǎn)破壞引起人身傷亡，但使業(yè)主和保險(xiǎn)公司支付了大量的修復(fù)費(fèi)用。僅就檢查費(fèi)用而言，不需挪動(dòng)石棉時(shí)為每個(gè)節(jié)點(diǎn) 800-1000美元，需挪動(dòng)石棉時(shí)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)1000-2000美元，對于有石膏抹灰和吊頂?shù)母呒壸≌總€(gè)節(jié)點(diǎn)達(dá)2000-5000美元，修復(fù)費(fèi)用更高211.更重要的當(dāng)然是對過去長期沿 用的節(jié)點(diǎn)在抗震中的安全問題提出了疑問，必須認(rèn)真研究和解決。
2.2 日本販神地震后對鋼框架節(jié)點(diǎn)破壞的調(diào)查
阪神地震后，日本建設(shè)省建筑研究所成立了地震對策本部，組織了各方面人士多次參加的建筑應(yīng)急危險(xiǎn)度和震害的調(diào)查，民間有關(guān)團(tuán)體也開展了各類領(lǐng)域的震害調(diào)查，但因鋼結(jié)構(gòu)相對于其它結(jié)構(gòu)的震害較少，除新發(fā)現(xiàn)了鋼柱脆斷或柱腳拔起外，鋼框架節(jié)點(diǎn)的破壞主要表現(xiàn)在扇形切角（scallop）工藝孔部位，但因結(jié)構(gòu)體被內(nèi)外裝修所隱蔽，一般業(yè)主、設(shè)計(jì)或施工人員對此震害調(diào)查不太積極，對鋼框架系統(tǒng)震害的調(diào)查遇到一定困難。僅管如此， 日本學(xué)者還是就腹板切角工藝孔方面的問題進(jìn)行了探索，如日本建筑學(xué)會(huì)結(jié)構(gòu)連接委員會(huì)和鋼材俱樂部等單位，專就工藝孔破壞狀態(tài)等問題作了系統(tǒng)深入的研究。
日本對于混合連接的研究，早在1978年以后的石油危機(jī)中，就曾利用建筑處于低潮機(jī)會(huì)結(jié)合自屏蔽電弧焊的出現(xiàn)和應(yīng)用，系統(tǒng)地開展過。進(jìn)入90年代后，隨著高層、超 高層和大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑的增多，梁柱截面增大，若采用過去的梁懸臂段形式，由于運(yùn)輸 尺寸上的限制，懸臂長度大致不能超過1m；另一方面，由于梁翼緣板厚增大，拼接螺栓增多，結(jié)果梁端至最近螺栓的距離只有500mm左右，截面受到很大削弱，對保證梁端塑性 變形很不利。這樣，在大型鋼結(jié)構(gòu)工程中，現(xiàn)在較多采用梁與柱的混合連接。圖1是采用箱形柱時(shí)的混合連接示意圖梁翼緣與箱形柱隔板直接焊接[7] .日本在美國北嶺地震前不久，曾對此種連接進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，梁端翼緣焊 縫處的破壞幾乎都是在梁下翼緣從扇形切角工藝孔端開始的，沒有看到象在美國試驗(yàn)中和地震中出現(xiàn)的沿焊縫金屬及其邊緣破壞的情況，通過試驗(yàn)和版神地震觀察到的梁端工藝孔 處的裂縫發(fā)展情況。
日本鋼材俱樂部研究了扇形切角工藝孔帶襯板及底部有焊縫的兩種節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)。
美、日兩國鋼框架在地震中的梁柱節(jié)點(diǎn)破壞形式是有區(qū)別的，北嶺地震中的裂縫多向柱段范圍擴(kuò)展，而阪神地震中的裂縫則多向梁段范圍發(fā)展。對兩國節(jié)點(diǎn)破壞情況的這種差異與其與構(gòu)造差異的關(guān)系，還有待進(jìn)一步探討。
3.節(jié)點(diǎn)破壞原因與分析
北嶺地震后，美日兩國學(xué)者就節(jié)點(diǎn)破壞原因，通過現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場檢驗(yàn)，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析、有限元分析、斷裂力學(xué)分析等，還作了很多補(bǔ)充試驗(yàn)，結(jié)合震前研究， 對節(jié)點(diǎn)破壞原因提出了一些看法。首先認(rèn)為節(jié)點(diǎn)破壞與加勁板、補(bǔ)強(qiáng)板腹板附加焊縫等的變動(dòng)，并沒有什么直接關(guān)系，也并不是僅由設(shè)計(jì)或施工不良所能說明的，而是應(yīng)從節(jié)點(diǎn)本身存在根本性缺陷方面去找原因。有以下幾方面因素，被認(rèn)為是決定和和影響節(jié)點(diǎn)性能而導(dǎo)致了破壞。
美國北嶺地震前，焊縫多采用E70T-4或E70T-7自屏蔽藥芯焊條施焊，這種焊條提供的最小抗拉強(qiáng)度480MPa，恰帕沖擊韌性無規(guī)定，試驗(yàn)室試件和從實(shí)際破壞的結(jié)構(gòu)中取出的 連接試件在室溫下的試驗(yàn)表明，其沖擊韌性往往只有10-15J，這樣低的沖擊韌性使得連接很易產(chǎn)生脆性破壞，成為引發(fā)節(jié)點(diǎn)破壞的重要因素。在北嶺地震后不久所作的大型驗(yàn)證性試驗(yàn)，對焊縫進(jìn)行十分仔細(xì)的操作，做到了確保焊接質(zhì)量，排除了焊接操作產(chǎn)生的影響。焊縫采用E70T-4型低韌性焊條，盡管焊接操作的質(zhì)量很高，連接還是出現(xiàn)了早期破壞， 從而證明了焊接縫金屬?zèng)_擊韌性低，是焊接破壞的因素之一。
3.2 焊縫存在的缺陷[3]
對破壞的連接所作調(diào)查表明，焊接質(zhì)量往往很差，很多缺陷可以看出明顯違背了規(guī)范規(guī)定的焊接質(zhì)量要求，不但焊接操作有問題，焊縫檢查也有問題。很多缺陷說明，裂縫萌生在下翼緣焊縫中腹板的焊條通過孔附近，該處的下翼緣焊縫是中斷的，使缺陷更為明顯。該部位進(jìn)行超聲波檢查也比較困難，因?yàn)榱焊拱宸恋K探頭的設(shè)置。因此，主要的連接 焊縫中由于施焊困難和探傷困難出現(xiàn)了質(zhì)量極差的部位。上冀緣焊縫的施焊和探傷不存在梁腹板妨礙的問題，因此可以認(rèn)為是上翼緣焊縫破壞較少的原因之一。
3.3 坡口焊縫處的襯板和引弧板造成人工縫[4]
實(shí)際工程中，往往焊接后將焊接襯板留在原處，這種做法已經(jīng)表明，對連接的破壞具有重要影響。在加州大學(xué)進(jìn)行的試驗(yàn)表明，襯板與柱翼緣之間形成一條未熔化的垂直界面，相當(dāng)于一條人工縫，在梁翼緣的拉力作用下會(huì)使該裂縫擴(kuò)大，引起脆性破壞。 其它人員的研究也得出相同結(jié)果。
1995年加州大學(xué)Popov等所作的試驗(yàn)，再現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的脆性破壞，破裂的速度很高， 事前并無延性表現(xiàn)，因此破壞是災(zāi)難性的。研究指出，受拉時(shí)切口部位應(yīng)力，破壞是三軸應(yīng)力引起的，表現(xiàn)為脆性破壞，外觀無屈服。他們還通過有限元模擬計(jì)算，得出應(yīng)力集中系數(shù)出現(xiàn)在梁緣焊接襯板連接處中部，破壞時(shí)裂縫將從應(yīng)力集中系數(shù)的地方開始，此一結(jié)論已為試驗(yàn)所證實(shí)。研究表明：大多數(shù)節(jié)點(diǎn)破壞都起源于下部襯板處。引弧板同樣也會(huì)引發(fā)裂縫。
3.4 梁翼緣坡口焊縫出現(xiàn)的超應(yīng)力[3]
北嶺地震后對震前節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的分析表明，當(dāng)梁發(fā)展到塑性彎矩時(shí)，梁下翼緣坡口焊縫處會(huì)出現(xiàn)超高應(yīng)力。超應(yīng)力的出現(xiàn)因素有：當(dāng)螺栓連接的腹板不足以參加彎矩傳遞時(shí)， 柱翼緣受彎導(dǎo)致梁翼緣中段存在著較大的集中應(yīng)力；在供焊條通過的焊接工藝孔處，存著附加集中應(yīng)力；據(jù)觀察，有一大部分剪力實(shí)際是由翼緣焊縫傳遞，而不是象通常設(shè)計(jì)假設(shè)的那樣由腹板的連接傳遞。梁翼緣坡口焊縫的應(yīng)力很高，很可能對節(jié)點(diǎn)破壞起了不利影響。Popov[4]采用8節(jié)點(diǎn)塊體單元有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布的應(yīng)力點(diǎn)， 是在梁的翼緣焊縫處和節(jié)點(diǎn)板域，節(jié)點(diǎn)板域的屈服從中心開始，然后向四周擴(kuò)散。 嶺前進(jìn)行的大量試驗(yàn)表明，當(dāng)焊縫不出現(xiàn)裂紋時(shí)，節(jié)點(diǎn)受力情況也常常不能滿足坡口焊縫 近處梁翼緣母材不出現(xiàn)超應(yīng)力的要求。日本利用震前帶有工藝孔的節(jié)點(diǎn)，在試驗(yàn)荷載下由 應(yīng)變儀測得的工藝孔端點(diǎn)翼緣內(nèi)外的應(yīng)變分布，應(yīng)變集中傾向出現(xiàn)在翼緣外側(cè)端部，內(nèi)側(cè)則在工藝孔端部，應(yīng)變發(fā)生在工藝孔端點(diǎn)位置上。應(yīng)變集中的原因，不僅大于工藝孔 造成的不連續(xù)性，還在于工藝孔部分梁腹板負(fù)擔(dān)的一部分剪力由翼緣去承擔(dān)了，使翼緣和 柱隔板上產(chǎn)生了二階彎曲應(yīng)力。這些試驗(yàn)與分析均指出，今后對節(jié)點(diǎn)性能的改進(jìn)，不僅應(yīng) 改善焊縫，而且還應(yīng)降低梁翼緣坡口焊縫處的應(yīng)力水平。
3.5 其它因素[3]
有很多其它因素也被認(rèn)為對節(jié)點(diǎn)破壞產(chǎn)生潛在影響，包括：梁的屈服應(yīng)力比規(guī)定的最小值高出很多；柱翼緣板在厚度方向的抗拉強(qiáng)度和延性不確定；柱節(jié)點(diǎn)域過大的剪切屈服和變形產(chǎn)生不利影響；組合樓板產(chǎn)生負(fù)面影響。這些影響因素可能還需要一定時(shí)間進(jìn)行爭論， 才能弄清楚。
1994年1月17日發(fā)生在美國加州圣費(fèi)南多谷地的北嶺地震（Northridge Earthquake）和 正好一年后1995年1月17日發(fā)生在日本兵庫縣南部地區(qū)的阪神地震（Hyogoken-Nanbu Earthquake）是兩次陸域型強(qiáng)震，都導(dǎo)致了焊接鋼框架梁-柱附性連接節(jié)點(diǎn)的廣泛破壞。震后兩國進(jìn)行了大量的調(diào)查和研究，揭示了破壞的原因，在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)鋼框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的技術(shù)措施。兩國在此期間都發(fā)表了不少論文，所作的討論開拓了人們的眼界，提供了對鋼框架的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的更多了解，對今后鋼框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有深遠(yuǎn)的影響。我們受中國建筑科 學(xué)研究院抗震所委托，對有關(guān)資料進(jìn)行了搜集、整理和歸納，現(xiàn)將其主要內(nèi)容在此作一介紹。
2.美日兩國鋼框架節(jié)點(diǎn)的破壞情況
兩國鋼框架破壞情況的報(bào)導(dǎo)，主要集中在梁柱混合連接節(jié)點(diǎn)上，因此本文也以梁柱混 合連接為主要對象?；旌线B接是一種現(xiàn)場連接，其中梁翼緣與柱用全熔透坡口對接焊縫連接，梁腹板通過連接板與柱用高強(qiáng)度螺栓連接。美國慣常采用焊接工字形柱，日本則廣泛采用箱形柱，僅在一個(gè)方向組成剛架時(shí)采用工字形柱。在梁翼緣連接處，工字形柱腹板上要設(shè)置加勁肋（美國稱為連續(xù)板），在箱形柱中則要設(shè)置隔板。
美、日兩國梁杠混合連接節(jié)點(diǎn)的典型構(gòu)造。在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)上，兩國都采用彎矩由翼緣連接承受和剪力由腹板連接承受的設(shè)計(jì)方法，美國還規(guī)定，當(dāng)梁翼緣承受的彎矩小于截面總彎矩的70％或梁腹板承受的彎矩大于截面總彎矩的30％時(shí)，要將梁腹板與連接板的角部用角焊縫焊接。日本則規(guī)定腹板螺栓連接應(yīng)按保有耐力即框架達(dá)到塑性階段時(shí)的承載力設(shè)計(jì)，螺栓應(yīng)設(shè)置2-3列，也是為了考慮腹板可能承受的的彎矩。梁翼緣處的柱加勁肋，美國過去根據(jù)傳力的需要由計(jì)算確定，其截面較小。日本根據(jù)構(gòu)造要求采用，其截面較大。
2.1 美國北嶺地震后對剛框架節(jié)點(diǎn)破壞的調(diào)查
從70年代以來，美國采用高強(qiáng)螺栓聯(lián)接鋼框架已很普遍，北嶺地震后出現(xiàn)破壞的有100多幢[3] （有的報(bào)導(dǎo)說90多幢[7] 、150多幢[1] 或200多幢[5] ）。為了弄清破壞的原因，北嶺地震后不久，在美國聯(lián)邦應(yīng)急管理局（FEMA）資肋下，有加州結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)（SEAOC）、應(yīng)用技術(shù)研究會(huì)（ATC）和加州一些大學(xué)的地震工程研究單位（CU）等組成了被稱為SAC和聯(lián)合動(dòng)機(jī)構(gòu)，對此開展了深入調(diào)查和研究，以便弄清破壞原因和提出改進(jìn)措施。
美國的鋼框架梁-柱連接，在50年代多采用鉚釘連接，60年代逐步改用高強(qiáng)度螺栓連接。為了評估栓焊混合連接的有效性，曾進(jìn)行過一系列試驗(yàn)，這種由翼緣焊縫抗彎和腹板螺栓連接抗剪的節(jié)點(diǎn)，美國以前規(guī)定其塑性轉(zhuǎn)角應(yīng)達(dá)到 O.015rad（≈1／65），但大量試驗(yàn)表明，塑性轉(zhuǎn)角的試驗(yàn)結(jié)果很離散，且出現(xiàn)了早期破壞，總的說來性能很不穩(wěn)定。北嶺地震前，德州大學(xué)教授Engelhardt就曾對這種連接在大震時(shí)的性能產(chǎn)生疑問，指出在大震時(shí)要密切注意，對它的的設(shè)計(jì)方法和連接構(gòu)造要進(jìn)行改進(jìn)[7] .北嶺地震證實(shí)了這一疑慮，為此SAC通過柏克萊加州大學(xué)地震工程研究中心（EERC） 等4個(gè)試驗(yàn)場地，進(jìn)行了以了解震前節(jié)點(diǎn)的變形響應(yīng)和修復(fù)性能為目的的足尺試驗(yàn)和改進(jìn)后的節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)。對北嶺地震前通常做法的節(jié)點(diǎn)及破壞后重新修復(fù)節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)表明全部試 驗(yàn)都觀察到了與現(xiàn)場裂縫類似的早期裂縫，試驗(yàn)的特性曲線亦與以前的試驗(yàn)結(jié)果相同，梁的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力平均為0.05弧度，是SAC經(jīng)過研究后確定的目標(biāo)值0.03弧度的1／6，說明北嶺地震前鋼框架節(jié)點(diǎn)連接性能很差，這與地震中的連接破壞是吻合的。而且破壞前 沒有看到或很少看到有延性表現(xiàn)，與設(shè)想能發(fā)展很大延性e6鋼框架設(shè)計(jì)意圖是違背的。 焊接鋼框架節(jié)點(diǎn)的破壞，主要發(fā)生在梁的下翼緣，而且一般是由焊縫根部萌生的脆性破壞裂紋引起的。裂紋擴(kuò)展的途徑是多樣的，由焊根進(jìn)入母材或熱影響區(qū)。一旦翼緣壞了， 由螺栓或焊縫連接的剪力連接板往往被拉開，沿連接線由下向上擴(kuò)展。潛在危險(xiǎn)的是由焊縫根部通過柱翼緣和腹板擴(kuò)展的斷裂裂縫。從破壞的程度看，可見裂縫約占20-30％，大量的是用超聲波探傷等方法才能發(fā)現(xiàn)的不可見裂紋。裂紋在上翼緣和下翼緣之間出現(xiàn)的比例為1：5-1：20，在焊縫和母材上出現(xiàn) 的比例約為1：10到1：100.一般認(rèn)為，混凝土樓板的組合作用減小了上翼緣的破壞，也有人認(rèn)為上翼緣焊縫根部不象下翼緣那樣位于梁的最外側(cè)，因此焊根中引起的應(yīng)力較低，減少了上翼緣破壞的概率[1] .美國斯坦福大學(xué)Krawinkler教授對北嶺地震中幾種主要連接破壞形式作了歸納， 由下翼緣焊縫根部開始出現(xiàn)的這樣或那樣的破壞，最多的是沿焊縫金屬的邊緣破壞，另有沿柱翼緣表面附近裂開的剝離破壞，也有沿腹板板切角端部開始的梁翼緣斷裂破壞，或從柱翼緣穿透柱腹板的斷裂破壞 .北嶺地震雖然沒有使鋼框架房屋倒塌，也沒有因鋼框架節(jié)點(diǎn)破壞引起人身傷亡，但使業(yè)主和保險(xiǎn)公司支付了大量的修復(fù)費(fèi)用。僅就檢查費(fèi)用而言，不需挪動(dòng)石棉時(shí)為每個(gè)節(jié)點(diǎn) 800-1000美元，需挪動(dòng)石棉時(shí)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)1000-2000美元，對于有石膏抹灰和吊頂?shù)母呒壸≌總€(gè)節(jié)點(diǎn)達(dá)2000-5000美元，修復(fù)費(fèi)用更高211.更重要的當(dāng)然是對過去長期沿 用的節(jié)點(diǎn)在抗震中的安全問題提出了疑問，必須認(rèn)真研究和解決。
2.2 日本販神地震后對鋼框架節(jié)點(diǎn)破壞的調(diào)查
阪神地震后，日本建設(shè)省建筑研究所成立了地震對策本部，組織了各方面人士多次參加的建筑應(yīng)急危險(xiǎn)度和震害的調(diào)查，民間有關(guān)團(tuán)體也開展了各類領(lǐng)域的震害調(diào)查，但因鋼結(jié)構(gòu)相對于其它結(jié)構(gòu)的震害較少，除新發(fā)現(xiàn)了鋼柱脆斷或柱腳拔起外，鋼框架節(jié)點(diǎn)的破壞主要表現(xiàn)在扇形切角（scallop）工藝孔部位，但因結(jié)構(gòu)體被內(nèi)外裝修所隱蔽，一般業(yè)主、設(shè)計(jì)或施工人員對此震害調(diào)查不太積極，對鋼框架系統(tǒng)震害的調(diào)查遇到一定困難。僅管如此， 日本學(xué)者還是就腹板切角工藝孔方面的問題進(jìn)行了探索，如日本建筑學(xué)會(huì)結(jié)構(gòu)連接委員會(huì)和鋼材俱樂部等單位，專就工藝孔破壞狀態(tài)等問題作了系統(tǒng)深入的研究。
日本對于混合連接的研究，早在1978年以后的石油危機(jī)中，就曾利用建筑處于低潮機(jī)會(huì)結(jié)合自屏蔽電弧焊的出現(xiàn)和應(yīng)用，系統(tǒng)地開展過。進(jìn)入90年代后，隨著高層、超 高層和大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑的增多，梁柱截面增大，若采用過去的梁懸臂段形式，由于運(yùn)輸 尺寸上的限制，懸臂長度大致不能超過1m；另一方面，由于梁翼緣板厚增大，拼接螺栓增多，結(jié)果梁端至最近螺栓的距離只有500mm左右，截面受到很大削弱，對保證梁端塑性 變形很不利。這樣，在大型鋼結(jié)構(gòu)工程中，現(xiàn)在較多采用梁與柱的混合連接。圖1是采用箱形柱時(shí)的混合連接示意圖梁翼緣與箱形柱隔板直接焊接[7] .日本在美國北嶺地震前不久，曾對此種連接進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，梁端翼緣焊 縫處的破壞幾乎都是在梁下翼緣從扇形切角工藝孔端開始的，沒有看到象在美國試驗(yàn)中和地震中出現(xiàn)的沿焊縫金屬及其邊緣破壞的情況，通過試驗(yàn)和版神地震觀察到的梁端工藝孔 處的裂縫發(fā)展情況。
日本鋼材俱樂部研究了扇形切角工藝孔帶襯板及底部有焊縫的兩種節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)。
美、日兩國鋼框架在地震中的梁柱節(jié)點(diǎn)破壞形式是有區(qū)別的，北嶺地震中的裂縫多向柱段范圍擴(kuò)展，而阪神地震中的裂縫則多向梁段范圍發(fā)展。對兩國節(jié)點(diǎn)破壞情況的這種差異與其與構(gòu)造差異的關(guān)系，還有待進(jìn)一步探討。
3.節(jié)點(diǎn)破壞原因與分析
北嶺地震后，美日兩國學(xué)者就節(jié)點(diǎn)破壞原因，通過現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場檢驗(yàn)，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析、有限元分析、斷裂力學(xué)分析等，還作了很多補(bǔ)充試驗(yàn)，結(jié)合震前研究， 對節(jié)點(diǎn)破壞原因提出了一些看法。首先認(rèn)為節(jié)點(diǎn)破壞與加勁板、補(bǔ)強(qiáng)板腹板附加焊縫等的變動(dòng)，并沒有什么直接關(guān)系，也并不是僅由設(shè)計(jì)或施工不良所能說明的，而是應(yīng)從節(jié)點(diǎn)本身存在根本性缺陷方面去找原因。有以下幾方面因素，被認(rèn)為是決定和和影響節(jié)點(diǎn)性能而導(dǎo)致了破壞。
美國北嶺地震前，焊縫多采用E70T-4或E70T-7自屏蔽藥芯焊條施焊，這種焊條提供的最小抗拉強(qiáng)度480MPa，恰帕沖擊韌性無規(guī)定，試驗(yàn)室試件和從實(shí)際破壞的結(jié)構(gòu)中取出的 連接試件在室溫下的試驗(yàn)表明，其沖擊韌性往往只有10-15J，這樣低的沖擊韌性使得連接很易產(chǎn)生脆性破壞，成為引發(fā)節(jié)點(diǎn)破壞的重要因素。在北嶺地震后不久所作的大型驗(yàn)證性試驗(yàn)，對焊縫進(jìn)行十分仔細(xì)的操作，做到了確保焊接質(zhì)量，排除了焊接操作產(chǎn)生的影響。焊縫采用E70T-4型低韌性焊條，盡管焊接操作的質(zhì)量很高，連接還是出現(xiàn)了早期破壞， 從而證明了焊接縫金屬?zèng)_擊韌性低，是焊接破壞的因素之一。
3.2 焊縫存在的缺陷[3]
對破壞的連接所作調(diào)查表明，焊接質(zhì)量往往很差，很多缺陷可以看出明顯違背了規(guī)范規(guī)定的焊接質(zhì)量要求，不但焊接操作有問題，焊縫檢查也有問題。很多缺陷說明，裂縫萌生在下翼緣焊縫中腹板的焊條通過孔附近，該處的下翼緣焊縫是中斷的，使缺陷更為明顯。該部位進(jìn)行超聲波檢查也比較困難，因?yàn)榱焊拱宸恋K探頭的設(shè)置。因此，主要的連接 焊縫中由于施焊困難和探傷困難出現(xiàn)了質(zhì)量極差的部位。上冀緣焊縫的施焊和探傷不存在梁腹板妨礙的問題，因此可以認(rèn)為是上翼緣焊縫破壞較少的原因之一。
3.3 坡口焊縫處的襯板和引弧板造成人工縫[4]
實(shí)際工程中，往往焊接后將焊接襯板留在原處，這種做法已經(jīng)表明，對連接的破壞具有重要影響。在加州大學(xué)進(jìn)行的試驗(yàn)表明，襯板與柱翼緣之間形成一條未熔化的垂直界面，相當(dāng)于一條人工縫，在梁翼緣的拉力作用下會(huì)使該裂縫擴(kuò)大，引起脆性破壞。 其它人員的研究也得出相同結(jié)果。
1995年加州大學(xué)Popov等所作的試驗(yàn)，再現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的脆性破壞，破裂的速度很高， 事前并無延性表現(xiàn)，因此破壞是災(zāi)難性的。研究指出，受拉時(shí)切口部位應(yīng)力，破壞是三軸應(yīng)力引起的，表現(xiàn)為脆性破壞，外觀無屈服。他們還通過有限元模擬計(jì)算，得出應(yīng)力集中系數(shù)出現(xiàn)在梁緣焊接襯板連接處中部，破壞時(shí)裂縫將從應(yīng)力集中系數(shù)的地方開始，此一結(jié)論已為試驗(yàn)所證實(shí)。研究表明：大多數(shù)節(jié)點(diǎn)破壞都起源于下部襯板處。引弧板同樣也會(huì)引發(fā)裂縫。
3.4 梁翼緣坡口焊縫出現(xiàn)的超應(yīng)力[3]
北嶺地震后對震前節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的分析表明，當(dāng)梁發(fā)展到塑性彎矩時(shí)，梁下翼緣坡口焊縫處會(huì)出現(xiàn)超高應(yīng)力。超應(yīng)力的出現(xiàn)因素有：當(dāng)螺栓連接的腹板不足以參加彎矩傳遞時(shí)， 柱翼緣受彎導(dǎo)致梁翼緣中段存在著較大的集中應(yīng)力；在供焊條通過的焊接工藝孔處，存著附加集中應(yīng)力；據(jù)觀察，有一大部分剪力實(shí)際是由翼緣焊縫傳遞，而不是象通常設(shè)計(jì)假設(shè)的那樣由腹板的連接傳遞。梁翼緣坡口焊縫的應(yīng)力很高，很可能對節(jié)點(diǎn)破壞起了不利影響。Popov[4]采用8節(jié)點(diǎn)塊體單元有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布的應(yīng)力點(diǎn)， 是在梁的翼緣焊縫處和節(jié)點(diǎn)板域，節(jié)點(diǎn)板域的屈服從中心開始，然后向四周擴(kuò)散。 嶺前進(jìn)行的大量試驗(yàn)表明，當(dāng)焊縫不出現(xiàn)裂紋時(shí)，節(jié)點(diǎn)受力情況也常常不能滿足坡口焊縫 近處梁翼緣母材不出現(xiàn)超應(yīng)力的要求。日本利用震前帶有工藝孔的節(jié)點(diǎn)，在試驗(yàn)荷載下由 應(yīng)變儀測得的工藝孔端點(diǎn)翼緣內(nèi)外的應(yīng)變分布，應(yīng)變集中傾向出現(xiàn)在翼緣外側(cè)端部，內(nèi)側(cè)則在工藝孔端部，應(yīng)變發(fā)生在工藝孔端點(diǎn)位置上。應(yīng)變集中的原因，不僅大于工藝孔 造成的不連續(xù)性，還在于工藝孔部分梁腹板負(fù)擔(dān)的一部分剪力由翼緣去承擔(dān)了，使翼緣和 柱隔板上產(chǎn)生了二階彎曲應(yīng)力。這些試驗(yàn)與分析均指出，今后對節(jié)點(diǎn)性能的改進(jìn)，不僅應(yīng) 改善焊縫，而且還應(yīng)降低梁翼緣坡口焊縫處的應(yīng)力水平。
3.5 其它因素[3]
有很多其它因素也被認(rèn)為對節(jié)點(diǎn)破壞產(chǎn)生潛在影響，包括：梁的屈服應(yīng)力比規(guī)定的最小值高出很多；柱翼緣板在厚度方向的抗拉強(qiáng)度和延性不確定；柱節(jié)點(diǎn)域過大的剪切屈服和變形產(chǎn)生不利影響；組合樓板產(chǎn)生負(fù)面影響。這些影響因素可能還需要一定時(shí)間進(jìn)行爭論， 才能弄清楚。