半刚性节点在门式刚架中的应用研究

刘 柳

半刚性节点在门式刚架中的应用研究

刘 柳

基于近年来的研究工作,对门式刚架若干问题的最新研究成果进行了简单汇总,具体包括半刚性节点门式刚架的改良和创新,并提出了进一步的研究方向,为深化该体系研究和实际工程应用提供理论基础。

门式刚架,半刚性节点,轻钢结构

0 引言

随着社会的进步发展,新的空间结构形式不断涌现,门式刚架在现代社会中的应用也愈加广泛。门式刚架结构是目前国内外单层工业厂房及单层大跨民用建筑中应用最为广泛的结构,转角节点是门式刚架的主要连接部分,其连接性能将直接影响到门式刚架结构在荷载作用下的整体行为[1]。它是一种制作安装方便,施工快捷的结构体系,在一定跨度范围内具有良好的技术经济效益。但是如果随着跨度的不断增加,结构的构件截面尺寸又过大,构件用钢量增加,经济性能下降。为了解决这个问题,在门式刚架的基础上添加了半刚性节点的应用,提出了全新的轻钢结构门式刚架,该结构合理的利用现代技术,以有效提高结构的刚度,改善结构受力,目前国外一些发展国家做得比较多,而且相对比较成熟,但国内此类项目应用比较少。随着国内工业发展的要求,对跨度的要求越来越大,在门式刚架结构中的应用则会越来越多。

任何结构形式的提出—应用—发展的过程都是不断改良和创新的过程,门式刚架结构也不例外。门式刚架结构体系主要是由梁、柱、节点构成,而节点在轻钢结构中尤其起着至关重要的作用。节点的性能对刚架结构设计计算的安全性、可靠性、制作安装、经济指标和使用性能均有很大的影响。节点性能不仅影响刚架的内力分布、刚架的整体变形,而且能改变结构的自振周期,影响结构在地震作用和风荷载下的动力响应。因此,对于门式刚架节点连接性能的研究就显得格外有意义。本文主要介绍了钢结构半刚性连接节点的力学性能及实际应用情况,并对其现行研究的不足和未来研究的发展提出一些观点。

1 半刚性连接的引入及对刚架内力与位移的影响

1.1 半刚性节点的引入

下述的三种连接划分依据为连接之间是否有相对转动及承受弯矩的能力。刚性连接的梁柱之间没有相对转动,且能承受弯矩的作用;铰接连接则有相对转动,不能承受弯矩;而半刚性连接之间有相对转动,且能承受弯矩。三种连接方式的受力变形图如图 1所示。

钢结构中梁、柱等构件和杆件的连接方式一般都选择通过螺栓或者焊接连接。各部件都是通过节点连接起来,节点的连接性能将直接影响到结构在荷载作用下的整体性能。在门式刚架传统设计方法中,一般都会假定节点为完全刚接或是理想的铰接。如果节点假定为理想刚接,当刚架发生变形时,刚架的柱和梁之间没有发生相对转动,其夹角也保持不变;如果节点假定为理想铰接,梁就像简支在刚架柱上一样,梁和柱之间通过铰接连接故不能传递弯矩,梁柱独立发生转动且转角不同。从试验中所得到的数据来看,所有连接刚度中几乎没有完全刚接或者完全理想铰接的,节点的转动刚度处于两者之间,半刚性的概念于是被提了出来。半刚性的概念被引入之后,实际工程在设计时考虑的问题更加趋近于实际节点的连接性能,比如：考虑了节点区域的相对变形以后,可以使得构件内的应力集中现象得到缓和。通常情况下,梁柱焊接节点的转动刚度为 6×105kNm/rad,而螺栓连接的转动刚度在 2×104kNm/rad～10×104kNm/rad之间[3],充分说明了节点连接的半刚性。但是到目前为止,半刚性连接在实际工程中的设计还没有得到很好的应用,原因主要在于缺乏权威机构对基于半刚性的刚架设计方法做出权威的规定,还有在设计时使用的软件对半刚性理论缺乏相应的支持,不同的结构、不同的连接方式、涉及的因素过多都导致了半刚性连接在实际应用中的限制。

1.2 节点半刚性对刚架内力与位移的影响

本文研究的门式刚架为单跨且柱脚为铰接的连接方式,当考虑梁柱端板节点为半刚性节点时,内力影响主要体现在：在竖向均布荷载和水平力的作用下,由于连接的半刚性,檐口弯矩有减小的趋势,屋脊弯矩变大,梁轴力减小,柱端剪力增大,其余内力基本不变。导致这种变化的主要原因是连接刚度小于理想的刚接,刚度变小从而导致内力重分布使得支座弯矩减小而跨中的弯矩增大。

半刚性连接的门式刚架与理想的刚接相比,受柔性连接的影响比较大,柱顶的位移会比刚性连接时相应的增大,斜梁连接处即屋脊处的竖向位移也会增大,增幅在 15%～60%之间。柱顶的弯矩及梁两端的弯矩都会有不同程度的减小,在节点设计时按照刚性节点考虑与刚架的实际受力不相符,会导致梁端传到柱顶端的负弯矩增大,而导致跨中正弯矩变小,因此这种设计理念会使设计变得不安全,通过对刚节点与半刚节点的对比分析可知,模型中转动刚度较大时按照理想的刚接进行分析是合适的,但是转动刚度较小时,会导致与理想刚接的分析结果偏差过大。因此在刚架的分析和设计中应该考虑端板连接的半刚性,严格控制柱顶的水平位移。

许多钢结构破坏都是由于构件的失稳造成的,所以结构稳定分析在钢结构的分析中占着尤为重要的作用,对于同时存在受弯、受压、受剪的结构构件,在连接部分或者构件处理不当的话,很可能会造成整体或局部失稳的现象,在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中由柱的稳定性来代替整体稳定分析。计算柱的稳定性的时候涉及到柱的计算长度,由它代替构件的几何尺寸来进行稳定性分析,其中定义计算长度与几何长度的比值作为计算长度系数,通过稳定系数来考虑截面的不同尺寸、形式和加工条件等。随着转动刚度的增加,计算长度的增幅减小,柱脚为铰接的刚架受到的影响会比较大,这主要是由于考虑了半刚性以后,梁与柱的连接刚度就降低了,相互约束相对减弱,使得结构的局部稳定承载力减小。

节点的半刚性并不影响结构失稳形式,柱脚铰接时一般会发生有侧移的极值点失稳;当柱脚刚接时,刚架的失稳形式除了可能发生有侧移的极值点失稳外,还有可能发生跃越失稳情况。发生跃越失稳,主要是由于随着转动刚度的减小,梁的刚度降低,柱与梁的相互约束减弱,斜梁的中间连接退化为铰接,梁柱节点的刚度变小,类似于梁简支在柱上面,在竖向荷载作用下,斜梁顶部的竖向位移过大,从而导致荷载达到极限承载力时,发生跃越失稳破坏。

2 半刚性连接的模型分析

半刚性连接研究在国外已发展多年并且取得了优异的成绩,但是在我国进行研究的起步较晚,成果也相对比较匮乏,门式刚架端板的连接方式较多,其中外伸式端板由于其受力合理而在工程中应用较为广泛。其中端板的剪力主要由外伸式端板承受,而弯矩则靠端板、柱翼缘、节点域柱腹板等来共同承担,但由于这些板件厚度不大,所以刚度有限,梁端在弯矩的作用下会产生变形,从而使节点的转动刚度有所降低,端板连接的转动刚度也与端板尺寸、螺栓的排列方式、连接的初始变形以及是否设置加劲肋等因素有关,因此端板连接的θ,M关系并不是简单的线性关系而是具有非线性的特性。

门式刚架端板连接处的转动刚度主要决定于节点弯矩与转角的相互关系,但是在实际工程中,由于连接形式、材料差异及施工水平高低等因素的影响,很难形成一个统一的公式来度量转动刚度的大小。目前,比较成熟的一些研究都是基于试验数据,通过回归分析得到弯矩与转角的关系,主要有以下几种模型。

2.1 线性模型

线性模型的主要特征是在加载范围内,连接特性用节点初始刚度来表述,继续加载到屈服极限后,由于连接刚度的非线性特性,继续使用初始刚度来表示就显得不太合理从而出现一定量的偏差值。而在折线模型中,使用的是用一组相近的直线来对M—θ曲线进行逼近。但还是存在准确度不高的缺点,在直线出现转折的地方,在连接中则意味着刚度的突变,无法很好的应用于实际工程。

2.2 多项式模型

线性模型用于描述连接特性过于简单,许多研究学者另辟蹊径寻找其他的途径,在大量试验研究的基础之上,有人提出了多项式模型,这是一种全新的方法,先通过试验得到大量的有用试验数据,然后将这些试验数据加以整理,通过一些数学方法与曲线拟合软件拟合成一条曲线。模型中 M—θ曲线是由一个奇次方的多项式来表示的,故又称为奇次方多项式模型。

其中,参数K的取值与节点的连接形式和几何尺寸相关,不同的连接方式及不同的尺寸所采用的K值也不一样,视具体连接情况而定;C1,C2,C3均为拟合常数。该方法与线性模型相比,确实有很大的改进,在整个加载范围内不是用单一的直线来模拟连接特性,能更好的模拟出连接的非线性特性。但是其不太完善的地方在于其模拟公式采用的多项式形式,在通过多项式的极值点后曲线会呈现下降的形态,此时曲线的斜率则为非正数。但这是与实际不符合的,在实际中转动刚度一定是正值而非负值,因为在曲线图中,连接的转动刚度是由曲线图的斜率来表示的,基于上述原因,该模型虽能解决一部分问题,但还存在较大的问题,在实际应用中也存在较大的局限性。

2.3 三次 β样条模型

三次 β样条模型是琼斯等人最先提出来的。在试验中根据M的变化又分成了很多组,得到的数据就是M值变化不大的多组试验数据。然后利用三次 β样条曲线对所测得的试验数据进行曲线模拟,在拟合过程中的关键措施是保证交点处的数据一阶、二阶可导并且是连续的。该模型能较好地表现出曲线的非线性特征,但是缺陷在于如果想得到精确的拟合效果,就得需要大量的试验数据做支撑,而且试验数据质量也会影响到模拟的效果,所以这种方法对试验的要求很高。要想得到好的效果曲线,必须做大量的试验且保证获得的数据有较高的精确度,能反映真实的连接特性。

2.4 强化双线性节点模型

我国的学者提出的比较有代表性的模型是丁洁民和沈祖炎提出的强化双线性节点模型。其特点是改进了以往的模型在结构计算中不方便的缺陷,而且能对节点影响进行定量与定性分析。与该模型对应的试验加载过程如下：对某一节点施加弯矩荷载,与荷载对应能得到一转角θ,由施加荷载及与之对应的转角能作出 M—θ(弯矩—转角)关系曲线图(如图 2所示)。当节点快达到屈服极限时,对其卸载再进行加载,由图 2可知,此时的节点刚度等于初始刚度,于是可以假设在节点区域处于弹性阶段的时候,用初始刚度来表示节点的半刚性是合适的。当节点弯矩值达到 0.8Mu时,节点的非线性明显增大,可以用 Mf来表示节点进入非线性的刚度变化。一般情况下取Mf=(1/30～1/60)K0,在结构分析时,取 Mf=1/40K0。

3 结语

本文主要讲述了门式刚架半刚性节点的一些基本理论,为以后所进行的结构优化设计工作做好了理论铺垫。通过以上分析可以得出,尽管国内外学者针对半刚性连接的性能分析进行了大量的实验和有限元分析,但是对于半刚性节点的探讨仍然处于初步阶段,虽然国内外都在对半刚性连接的性能进行研究,但至今所有的资料都只是给了一些设计的指导原则,并没有给出能被工程技术人员方便、简洁地应用到实际工程的方法。半刚性连接节点的抗火性能至今还没有进行过相关的实验研究。

从以上分析可以得出,采用半刚性连接可以更贴近实际情况,使结构的抗震性能得到最合理的利用,充分发挥钢结构的良好抗震性能。另外,在提高结构安全性能的同时,使结构连接费用减少,从而节省工程的总投资,节约工程造价。可见半刚性连接无论是在经济上还是在技术上都具有广泛的应用前景。当然,它还在不断地丰富与进展,针对它的试验还在继续,能直接应用于实际工程中的具体量化设计方法还需进一步的研究。随着我国经济水平和建筑技术的不断发展进步,半刚性连接钢框架在我国将会有巨大的发展潜力。

[1]魏明钟.钢结构[M].武汉：武汉工业大学出版社,2000.

[2]冯建霖.门式刚架轻钢结构优化设计研究[D].西安：西安建筑科技大学,2009.

[3]顾 强,周敏辉.楔形变截面门式刚架的设计(1)[J].西安建筑科技大学学报,1998(3)：51-52.

[4]程显锋,马心俐.半刚性节点的转动刚度及其影响[J].山西建筑,2009,35(23)：48-49.

Research on the application of sem i-rigid node in portal-type rigid fram e

LIU Liu

Base on recentyears's research work,carried on to the pre-stressed portal-type rigid frame's certain question newest research results has compiled simply,included the imp rovementand the innovation of the semi-rigid node portal-type rigid frame specifically,and proposed the further research direction,to deepen this system research and the actual projectapp lication provides the rationale.

portal-type rigid frame,semi-rigid node,light steel structure

TU394

A

1009-6825(2011)09-0038-03

2010-11-29

刘 柳(1986-),女,河北工程大学土木工程学院硕士研究生,河北邯郸 056038