半刚性钢框架的抗震性能研究综述*

刘 伟 于海涛 姜 昊 张 雄 席 位

(吉林建筑大学土木工程学院，长春 130118)

0 引言

近年来地震频发，特别是在我国接连几年发生的两次大地震造成了巨大的人身伤害及经济损失.为防止悲剧重演，必须对建筑结构的抗震性能的要求进一步提高，因此寻求抗震性能更好的结构体系至关重要.在传统的分析和设计中，总是把钢框架看成理想的铰接或者刚接形式，而实际受力情况却是介于铰接与刚接之间的半刚性连接.经过1994年和1995年的两次大地震(美国北岭地震和日本阪神地震)后，研究人员发现，采用完全焊接的刚性节点钢框架大部分发生脆性破坏，引发了设计者们对钢框架抗震性能的深思，从而，半刚性连接钢框架便逐渐占据了人们的眼球.

1 半刚性钢框架的特点

与刚性和柔性钢框架相比较，半刚性钢框架具有其明显的优势.

(1)节约钢材.合理的调节半刚性节点的刚度，可有效地改变结构构件的内力分配，同时减小其峰值，从而可以充分利用钢材，降低用钢量，实现节约钢材的目的;

(2)耗能高、抗震性能好.半刚性连接钢框架可以产生较大的塑性变形、良好的延性性能，并且还有一定的刚度和强度，因此是一种理想的抗震耗能体系;

(3)综合效益明显.半刚性连接钢框架大量采用高强螺栓连接，可以实现工业化生产，施工速度快，还可以有效的节省人力、物力，并且毁坏、废除后可以拆卸回收，综合经济效益非常明显.

图1和图2为一次实验的滞回曲线.由图可以看出:半刚性连接钢框架较刚性连接钢框架具有良好的耗能能力，滞回曲线比较饱满，滞回性能比较好.

图1 半刚性连接钢框架

图2 刚性连接钢框架

2 半刚性连接钢框架常见结构类型

(1)内缩式端板连接.内缩式端板连接由一个高度小于梁高度的端板与梁进行焊接，再用螺栓与框架柱相连接组成.这种连接方式可以承受梁在工作荷载作用下的全固端弯矩的20%左右(如图3 h);

(2)顶底角钢连接.在AISC－ASD(1989)规范中，对顶底角钢连接形式规定如下:①底角钢只传递竖向反力，并且对梁端不产生较大的约束弯矩;②顶角钢仅用来保持侧向稳定，不能承受任何重力载荷.然而，已经有实验结果证明，此种连接形式可以抵抗一定的梁端弯矩(如图3 c);

(3)双腹板顶底角钢连接.这类连接是顶底角钢连接和腹板双角钢连接的组合，是梁的上下翼缘用角钢与柱翼缘相连，同时梁腹板也用两个角钢与柱翼缘相连的一种连接形式(如图3 d);

(4)平齐/外伸端板连接.这两种连接是半刚性钢框架连接的常用形式，其可以承受一定的弯矩.外伸端板连接根据外伸受力情况又可分为两种:一种是只在受拉一侧外伸的端板连接;一种是在受拉和受压两侧都外伸的端板连接(如图3 f/e);

(5)短T型钢连接.此连接是在梁的上下翼缘处用两个短T型钢作为连接件通过螺栓把梁、柱连接起来.这种连接方式刚度比其他半刚性连接方式都大，是刚度最大的半刚性连接之一，当把这种连接形式与双腹板角钢组合使用时可当做刚性连接(图3 g).

图3 半刚性连接钢框架常见结构类型

3 半刚性连接钢框架的研究现状

Romstadt和Subrajnanian[1](1970)用双线性模型来代替腹板双角钢类型的半刚性连接M －θ曲线关系，利用梁柱理论对单跨单层半刚性连接钢框架进行了弹性稳定分析.

Frye和Morris (1975)将7种常用半刚性的M－θ关系用无量纲的多项式模型表示，通过迭代法近似确定了半刚性节点连接的非线性刚度，对半刚性连接钢框架的弹性理论进行了分析研究;顾强[3]进行了腹板双角钢半刚性节点的梁端位移循环加载试验，分析研究了此种连接形式的破坏机理和变形能力;李国强[4]等人研究分析了半刚性连接钢框架在弹塑性状态下的地震反应;王国兵[5]设计了双腹板顶底角钢半刚性节点的一品两跨三层的钢框架模型，进行了低周反复实验，得出半刚性钢框架具有很好的抗震性能和耗能能力的结论;陈妍[6]利用有限元软件对半刚性钢框架进行了动力性能分析，得出如果对半刚性钢框架完全近似按钢框架进行设计会造成较大的误差，在进行设计时应考虑节点柔性对结构动力性能的影响;徐良伟[7]等人在假设的基础上，通过引入螺旋弹簧刚度，利用简支式等效单元模型，推导出了梁单元的弯矩转角方程和修正转动刚度，同时还将无剪力法推广到了半刚性连接钢框架的结构分析上，为工程设计人员所应用;王燕[8]利用M－θ三参数线性化模型，通过对各种连接类型的半刚性节点进行受力分析，推导出每种形式的半刚性连接节点在荷载作用下的内力和线性初始刚度的计算公式;陈国栋和房贞政[9]对半刚性钢框架进行了二阶弹性分析，论证了我国现行钢结构设计规范提供的P－Δ效应简化方法不能适用于半刚性钢框架的设计;向芳和舒兴平[10]对上下翼缘采用角钢连接的半刚接节点进行了极限承载力分析;温柔[11]通过有限元分析了顶底角钢半刚性节点的破坏机理，以及顶底角钢厚度、梁高、螺栓直接、摩擦系数、预拉力对结构承载力及变形的影响，得到影响弯矩转角关系的主要因素是顶底角钢厚度、梁高、顶底角钢长度及角钢与柱翼缘螺栓中心距梁翼缘的距离.

4 结论与展望

综合当前对半刚性连接钢框架的研究现状得出以下结论:

(1)半刚性连接钢框架可以更为方便地实现“强柱弱梁”的抗震设计原则;

(2)半刚性连接钢框架可在发生较大的变形后达到极限承载力，这与钢材本身变形能力大、延性好有关，同时节点刚度对此也有很大影响，不容忽视;

(3)目前，对于半刚性连接钢框架的研究大部分停留在对变形、破坏形式、动静受力性能方面，而对于抗震性能理论研究及实验研究甚少，对抗震性能的研究急待加强;

(4)由于半刚性连接钢框架的非线性性质，因此对半刚性钢框架的动静力分析应更加深入.近年来，随着我国钢材产量的不断增大、国家对钢结构建筑的政策引导及国家对住宅产业化的要求，钢结构框架体系必将越来越得到广泛的应用.由于半刚性连接钢框架的良好的耗能能力及抗震性能，在未来的房屋抗震体系当中也必将发挥重大作用.

[1]K.M.Romstad，C.V.Sunrajnanian.Analysis of Frame with Partial Connection Rigidity[J].Struet.Div，ASCE，1970，96(STll):2283 －2300.

[2]M.J.Frye，G.A.Morris.Analysis of Flexibly Connected Steel Frames，Can[J].Div.Engry，1976，2(3):280 －291.

[3]顾 强.腹板双角钢梁柱连接循环荷载实验研究[J].建筑结构学报，2003，24(6):31－35.

[4]李国强，沈祖炎.半刚性连接钢框架弹塑性地震反应分析[J].同济大学学报，1992，20(6):123－128.

[5]王国兵.半刚性钢框架抗震性能的实验研究[D].山东:山东科技大学，2007.

[6]陈 妍.半刚性钢框架动力性能研究[D].四川:西南交通大学，2009.

[7]徐良伟，王 星，蒋 苗.半刚性连接钢框架简化分析的无剪力分配法[J].建筑技术开发，2002，29(9):5－6.

[8]王 燕，李华军，厉见芬.半刚性梁柱节点连接的初始刚度和结构内力分析[J].工程力学，2003，20(6):65－69.

[9]陈国栋，房贞政.半刚性连接钢框架的二阶弹性分析[J].福州大学学报，2000，28(6):66－71.

[10]向 芳，舒兴平.上下翼缘角钢半刚性连接的极限抗弯承载力研究[J].钢结构，2005，20(1):11－13.

[11]温 柔.半刚性钢框架抗震性能设计[D].安徽:合肥工业大学，2006.