钢框架半刚性连接研究与分析

周继锋 陈莹 张国良

摘要：在钢结构设计与分析中，都将框架的梁柱连接节点设计成理想的铰接和刚接。一般来说，连接对转动的约束达到理想刚接的80%时，就被视为刚接；但当梁柱轴线夹角的改变量在外力作用下达到理想铰接的90%时，即可被视为铰接。所以，半刚性连接钢框架具有其自身的特点，不能简单地将其简化为理想刚接或铰接。

关键词： 钢框架 半刚性连接 研究性能

Abstract: in the steel structure design and analysis of the frame beam-column connection will be joint design ideal of a hinged and just answer. Generally speaking, the connection to the constraints of turning to achieve the ideal just answer 80%, will be seen as just answer; But when the beam axis Angle of change under external force to achieve the ideal of hinged 90% when, can be regarded as hinged. So, semi-rigid connection steel frame has the characteristics of its own, and can't simply it is reduced to ideal just answer or hinged.

Keywords: steel frame semi-rigid connection research performance

中图分类号： TV332.13 文献标识码：A 文章编号：

引言

在钢框架设计中,一般假定梁柱连接是完全刚性或完全铰接。然而无论是在钢框架的施工,还是试验中,各国的学者们都越来越发现实际的钢框架连接方式往往介于两者之间,既不是完全刚性连接,又不是完全铰接连接,呈半刚性连接方式。即实际的梁柱节点既可以传递一定的弯矩,又会在梁柱之间产生一个相对转角。所以,在钢框架设计中,把梁柱连接假定为完全刚性连接或完全铰接是不科学的,也是不符合实际的。因此很有必要对半刚性连接的特性作深入的研究,从而在将来的钢框架设计中按照实际的半刚性连接来考虑。

1、半刚性连接类型

半刚性连接主要通过摩擦型高强螺栓和连接件(角钢、短T型钢和端板)把梁、柱连接起来。常见的半刚性连接类型有:外伸端板连接,短T型钢连接,顶底角钢、双腹板角钢连接和顶底角钢连接,如图1所示。外伸端板连接因传力路线明确,计算简单而得到广泛应用。短T型钢连接因刚度较大,在多高层钢框架中也已开始使用。顶底角钢、双腹板角钢因破坏形式比较复杂,且影响承载力的因素较多,因此工程中暂时还没有应用,但有些国家通过一些辅助焊接处理,可以达到使用的目的。顶底角钢连接因其承载力离散程度较大目前还仅限于试验研究阶段。

2、半刚性连接的受力性能及特性

2.1半刚性连接的受力性能

以一个单梁来说明半刚性连接的受力性能。在均布荷载q作用下,假定单梁两端的连接分别为刚性连接、铰接和半刚性连接,梁的跨度为l。则按照结构力学的计算方法,对于刚性连接的梁,梁端弯矩为ql2/12,跨中弯矩为ql2/24;铰接的梁,梁端弯矩为0,跨中弯矩为ql2/8;而对于半刚性连接的梁来说,梁端弯矩和跨中弯矩的大小完全取决于半刚性连接的刚度,若刚度趋近于+∞,则半刚性连接可认为是刚性连接;若刚度趋近于0,则半刚性连接可认为是铰接。因此,半刚性连接梁的梁端弯矩在(0,ql2/12)区间,连接刚度越大,梁端弯矩越大。

2.2半刚性连接的特性

对于梁柱连接来说,其主要作用是在构件之间传递轴力、剪力、弯矩和扭矩。在平面问题的研究中,可以忽略扭转的影响,同时,对于大多数半刚性连接,轴向变形、剪切变形与转动变形相比都很小。因此,从使用的在半刚性连接中,连接的非线性特性取决于很多构造因素,主要包括:

1)连接组合材料本身不连续。连接是由螺栓及型钢,如角钢、短T型钢等组合配置而成。这种形式使得不同加载阶段,各组合件之间互相会产生滑移和错动。2)连接组合中一些组合件产生局部屈服。这是引起连接非线性特性的主要因素。3)连接组合中的螺栓孔、螺栓、连接件(角钢、端板)以及构件之间的承压接触引起应力和应变集中。4)连接附近处,梁和柱的翼缘和/或腹板的局部屈曲。5)在外部荷载影响下整体的几何变化。连接的非线性决定了连接在不同加载过程中连接刚度是非线性变化的,从而给连接的分析和计算增加了很大的难度。在计算连接的抗弯承载力时,连接刚度有两种选用方法。一种是选用初始刚度Rki,由于初始刚度Rki一般大于切线刚度Rkt,计算出的抗弯承载力偏于不安全;另一种是用切线刚度Rkt,由于连接的非线性,每一点处的切线刚度都不相同,计算时必须使用迭代的方法,比较繁琐,国外有关文献中介绍可以取Rkt=0.01rad处对应的切线刚度R0.01这个定值近似计算,可避免迭代,计算结果也满足精度要求。

3、半刚性连接节点对钢框架结构响应的影响

半刚性连接钢框架结构在动力荷载作用下，表现出和刚性连接钢框架完全不同的性能。开展半刚性连接钢框架结构的动力性能研究和分析对半刚性连接钢框架结构在地震区的推广使用具有十分重要的意义。在与半刚性连接有关的文献中，研究结果均比较一致地认为：半刚性连接节点会改变框架的内力响应，它会增大梁的跨中弯矩、柱脚弯矩，减小柱顶弯矩、梁端弯矩和建立，同时还会改变结构的基本自振周期，从而影响结构在地震作用下的动力反应。对于半刚性连接钢框架在动力荷载作用下的结构位移反应，K.S.Sivakumaran在其研究中研究了静、动力作用下节点半刚性对层间位移、结构整体刚度和强度、结构整体变形情况的影响，指出结构在动力荷载作用下的位移反应比静力大。通过对半刚性连接钢框架进行振动台试验，指出半刚性连接钢框架在地震作用下的水平位移和受损伤程度未必比刚性连接框架严重。通过半刚性和刚性框架在地震运动中反应的对比发现：半刚性钢框架与刚接框架相比，侧向位移和剪力都相对减少。另外，粘弹性阻尼（连接处）对框架的位移有显著影响，特别是连接较弱的类型。

在国内，很多学者提到半刚性连接可以减少水平地震作用效应，但同时也增加了结构的侧向位移。半刚性连接钢框架动、静力性能并不同，结构框架的顶层位移并不一定随节点刚度的减小而增大，合理的设计甚至可以使半刚性连接钢框架的侧移小于刚性框架的侧移。节点刚度对结构在地震作用下的动力响应影响很大，多层钢框架所受底部剪力随节点刚度的减小而减小，但顶部位移的影响不能确定。相对于刚性钢框架，半刚性连接节点刚度较低，从而导致其结构水平侧移增大。

从上述国内的研究现状可以发现：半刚性连接钢框架在动力荷载作用下的位移响应情况存在不确定性。对于不同的动力加载状态，其位移响应情况存在着变化。半刚性连接节点相比刚性节点，刚度有所降低，但是其耗能能力要比刚性节点框架好，使得半刚性连接钢框架的位移响应存在变数。另外，不同类型的半刚性连接节点、结构的自振频率以及其它相关因素都会影响着结构的位移响应情况。因此，如何认识半刚性连接钢框架中各种因素对位移响应的影响，以及综合各种因素从整体上分析结构的位移情况是今后研究的一个重要内容.

4、半刚性连接钢框架的结构分析与设计

对于半刚性连接钢框架性能的研究，最终目的在于将研究成果付诸实施，应用在工程实际中。其实，工程中所有连接在荷载作用下都会展现出一定的柔性，钢框架本质上都是属于半刚性的。在框架分析中假设为理想刚性连接或铰接模型，目的是为了简化分析设计的过程与复杂性，并不代表它就是结构真实性能的表现。

将半刚性节点应用于结构分析中，就是要加强对结构设计的重视，使其能够更接近真实情况。因为很多情况下，理想假设既不合理也不符合结构真实情况，容易造成较大差异，使设计过于保守或偏不安全。半刚性连接的结构，必须对正常使用极限状态和承载力极限状态进行分析。结构在正常使用极限状态的分析前提是小变形，由下表1可知结构连接所表现出来的非线性特性并不是很明显，故节点M-θr关系曲线模型可用线性模型来模拟，这样既合理又大大简化节点的复杂性。而在极限承载力状态下，连接均为非线性，因此必须用非线性模型来对结构承载力做可靠合理的分析。对于这两个状态，节点转动刚度的取值是关键。节点转动刚度在连接M-θr关系曲线中表现为斜率。研究表明，连接柔性对弹性阶段时框架的内力与位移有较大影响，而对极限弯矩承载力的影响并不明显对于半刚性连接钢框架的抗震性能设计，结构的基本自振周期是一个重要的考虑因素。

表一

半刚性连接对于结构的动力性能影响很大，随着梁端连接转动刚度的增大，结构自振周期变大，反之则变化较小。半刚性连接节点使框架的自振周期显著增大，但同时也意味这自振周期变化范围的增大。这样结构能从地震激励的不同区段得到最大响应，甚至产生共振，这样不利于结构的设计。所以如何考虑自振周期和建筑场地卓越周期之间的关系，是结构抗震设计的关键。

结束语

半刚性梁柱连接,构造简单,施工方便,是一种比较理想的连接形式。但影响连接的刚度和承载力的因素很多,国内外目前还处在试验研究和工程试用阶段。要想充分、系统地获得各种半刚性连接的特性,需要做大量的试验研究工作,对影响连接的各个因素进行认真的研究,找出关键的方面,从而在工程设计中进行控制,这样,才能充分发挥出半刚性连接的优势,相应降低工程造价。

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