带悬臂梁段拼接的梁柱连接的研究现状和发展

马 良

0 引言

带悬臂梁段拼接的梁柱连接节点是一种新的节点形式,目前在我国已有应用,我国的钢结构规范也将这种节点形式收入并推荐使用[1]。带悬臂梁段拼接的梁柱节点采用工厂制作,工地高强螺栓拼接,这样就克服了工地现场焊接质量不易控制的缺点,同时具有较好的耗能能力、变形能力和方便施工的特点。

1 带悬臂梁段拼接节点的研究现状和发展

1)2002年,苏州科技学院的李启才[2]副教授通过对国内外钢梁拼接在静力和地震荷载作用下的设计方法进行了分析和比较,并提出了拼接点位置的确定,抗震设计时螺栓的选择以及非抗震设计时弯矩和剪力在梁翼缘、腹板之间的分配等建议,具体建议如下:a.本着节约拼接材料又不影响梁端塑性铰发展的目的,拼接节点应尽量靠近梁在均布荷载作用下的反弯点处,且尽量远离塑性铰。即在照顾运输限制的同时,尽量取靠近梁端0.21倍的梁跨处,远离梁端0.1倍的跨度或2倍的梁高之处;b.螺栓直径的选择与被连接钢材的材质、螺栓的等级、摩擦面的滑移系数以及较薄一侧的钢板总厚度有关;c.非抗震设计选用拼接点处实际弯矩和剪力值,尽量让翼缘承担所有设计弯矩,多余由腹板承担,腹板承担剪力及剪力偏心引起的附加弯矩。

2)2002年,苏州科技学院的李启才[3]副教授为了检验带悬臂梁段拼接的梁柱连接抗震性能,对4个试件进行了循环加载试验。试验侧重于对拼接节点的研究,采用10.9级高强螺栓摩擦型连接,翼缘和腹板全部拼接。试验结果表明:螺栓拼接节点的延性远好于梁柱焊缝连接;较弱拼接节点的延性远好于梁柱焊缝连接;但滑移伴随有剧烈的响声,会使人产生心理恐慌。根据试验结果提出了设计建议:尽量将拼接设计得弱些,可以提高梁柱连接的转动能力,减少地震作用向梁柱连接焊缝的输入,延缓焊缝的脆性破坏。

3)为了了解摩擦型高强螺栓连接性能,李启才[4]副教授对5个试件进行了抗滑移系数、屈服强度和极限承载能力的试验研究。结果表明用钢丝刷清除浮锈处理的摩擦面抗滑移系数达不到规范给定的数值;连接的屈服强度和极限承载能力很接近连接板材的相应强度,加大或减小螺栓的预拉力只对连接出现滑移时的荷载有影响,对连接的其他性能并无明显影响。并给出了设计建议:a.用钢丝刷清除浮锈或未经处理的干净轧制表面的Q235钢材的抗滑移系数达不到0.3,建议将此值改小。因为在工程验收时,如果抗滑移系数达不到设计要求,需返工重新处理,而若仍采用同样的方法,很难达到0.3。b.抗震规范在梁的拼接设计中,将净截面验算作为构件极限承载能力设计的一部分,采用屈服强度,而实际上,在破坏时净截面已达到或接近材料的实际抗拉强度,毛截面也进入了强化阶段。建议在此验算中,采用净截面的设计抗拉强度。

4)2003年,李启才[5]副教授通过对两个带悬臂梁段拼接的梁柱连接试件的设计和循环加载试验结果的对比分析,指出可以利用接触面的滑移和螺栓与孔壁的挤压来消耗能量,减少地震作用向梁柱焊缝的输入,提高连接的抗震性能。并根据分析结果提出了设计建议:a.在弹性阶段,拼接节点的计算内力应取该处的实际内力,计算梁翼缘净截面受力时,应考虑孔前传力,翼缘的抗弯承载能力应取螺栓孔处的净截面抗弯承载能力和螺栓连接的抗弯承载能力中的较小值,腹板分担的弯矩应按整个拼接区承受的弯矩减去翼缘的抗弯承载能力计算。b.在极限承载能力阶段计算翼缘净截面承载力时,应采用钢材的抗拉强度。c.提高接触面的抗滑移系数,可以减少螺栓用量,并可利用滑移耗能,改善连接的抗震性能。

5)2004年,常鸿飞,夏军武等[6]通过算例分析发现常规设计方法无法满足树状柱的抗震要求,提出了对树状柱进行整体设计的必要性。提出可以从以下几个方面进行考虑:a.节点形式。建议采用强度和刚度较高的全焊节点,并严格控制焊缝质量;b.设计方法。设计者在设计方法的选择上要对比各方法的优劣,根据控制因素选择合理的设计方法。同时在设计过程中,应该考虑梁柱节点和梁拼接节点之间的相互作用;c.构造措施。通过加强梁端(加盖板、加腋)或削弱梁中部(截面局部削弱)的做法保证强节点。

6)2006年,夏军武,常鸿飞[7]通过有限元模拟研究了钢框架柱带悬臂梁段拼接点在弹性极限状态和塑性极限状态下的应力分布规律,将其受力性能和变形能力与普通无拼接节点进行对比,分析两种不同连接节点的变形性能和不同连接刚度对节点承载性能的影响。结果表明:虽然带悬臂梁段拼接节点的梁翼缘、腹板均有所削弱,但其初始刚度和极限承载力受影响较小,且弹性刚度高于无拼接的焊接节点;而在塑性极限状态下,带悬臂梁段拼接节点的高强螺栓拼接会出现滑移,其转动能力要高于无拼接节点,可见利用拼接滑移耗散地震能量输入是可行的。

7)2006年,李启才[8]副教授为了比较树状柱钢框架中各种钢梁拼接设计的抗震性能,对几种常用的拼接设计进行了有限元滞回性能的模拟对比分析。分析采用三维三重非线性有限元,完全考虑了螺栓预拉力、螺栓头(帽)与板的相互作用、螺栓杆与孔壁的相互挤压作用、接触面的摩擦作用。通过分析,得出以下结论:a.拼接设计时,假定腹板不承受弯矩的设计方法,对于翼缘对接焊接、腹板拼接的连接形式并不适用;b.翼缘对接焊缝连接、腹板螺栓拼接的梁柱连接,其性能与没有进行梁的拼接的梁柱连接性能基本相同。只是采用了拼接以后,梁柱连接处的对接焊缝由现场焊接改为工厂焊接,连接性能更加可靠。但是这种连接出现不了螺栓的滑移和螺栓与孔壁的挤压耗能,在地震区使用时,其性能不能得到完全发挥;c.对于刚性框架中梁的翼缘和腹板都采用高强螺栓拼接的较好的设计方法应该是在计算翼缘的净截面承载能力时,考虑孔前传力,尽量让翼缘的拼接承担较多的弯矩,以减少拼接材料和施工的总费用。

8)2008年,袁素荣[9]根据钢框架强节点弱构件的抗震设计原则,以两种方式对树状柱梁柱节点进行加强,然后用三维有限元模拟分析,并进行对比。ANSYS模拟结果表明:a.从计算的应力分布可知梁柱节点区翼缘根部存在高应力集中区,需要加强;b.通过在梁端翼缘加宽或加盖板可以明显地将翼缘根部的高应力集中区外移,说明这两种梁有较好的抗震性能,能够真正做到“强节点弱构件”;c.加盖板型变截面梁上翼缘处应力集中程度小于翼缘加宽型变截面梁,且加盖板型变截面梁的抗震能力略高于翼缘加宽型变截面梁;d.虽然这两种形式都能对节点形式加强,但梁端翼缘加宽型变截面梁比加盖板型变截面梁节省钢材;e.加强的梁端塑性转角(梁端塑性位移除以梁长)才能达到0.03 rad。

2 结语

文中介绍了钢框架柱带悬臂梁段拼接点的国内研究现状与发展过程。由于其具有诸多的优点,可广泛应用于各类建筑结构中,具有广阔的发展前景。针对现阶段设计时,按纯钢结构设计,不考虑混凝土板作用的实际情况,作者将进行带楼板的钢框架中拼接点的耗能性能试验研究,以期了解混凝土板对拼接点的影响,为设计提供依据。

[1] GBJ 50017-2003,钢结构设计规范[S].

[2] 李启才,陈绍蕃,王万祯.钢梁螺栓拼接设计方法的分析与建议[J].建筑结构学报,2002,32(2):7-9.

[3] 李启才,苏明周,顾 强,等.带悬臂梁段拼接的梁柱连接循环荷载试验研究[J].建筑结构学报,2002,24(4):54-59.

[4] 李启才,顾 强,苏明周,等.摩擦型高强螺栓连接性能的试验研究[J].西安科技学院学报,2003,23(3):322-327.

[5] 李启才,苏明周,陈爱国,等.带悬臂梁段拼接的梁柱连接节点试验分析[J].工业建筑,2003,34(6):74-76.

[6] 常鸿飞,夏军武,吴 渭,等.钢框架树状柱节点整体设计研究[J].建筑钢结构进展,2004,7(3):49-51.

[7] 夏军武,常鸿飞.钢框架柱带悬臂梁段拼接节点的弹塑性分析[J].中国矿业大学学报,2006,35(5):596-601.

[8] 李启才,顾 强.树状柱框架中钢梁拼接的抗震设计有限元模拟对比[J].苏州科技学院学报,2006,19(2):1-5.

[9] 袁素荣,李启才.树状柱钢框架梁柱连接节点加强型式的有限元分析[J].苏州科技学院学报,2008,21(2):27-29.