半刚性连接钢框架的改进分析方法

陈永则��

【摘 要】本文就现阶段进行有半刚性连接钢框架数值分析中经常采用的分析模型进行了优缺点对比分析，在此基础上提出根据连接的强弱系数 定义推倒出由连接刚度系数和稳定系数表示的修正后的转角位移方程，此方程能完整地描述连接刚度由零到无限大变化时杆件受力随之变化的全过程。

【关键词】半刚性；连接刚度系数；转角位移方程

Semi-rigid connected steel frame improving analytical methods

Chen Yong-ze

（Shaanxi Construction Machinery Co.， Ltd Xi'an Shaanxi 710032）

【Abstract】This article on this stage have a semi-rigid connected steel frame numerical analysis model is frequently used in the analysis of the advantages and disadvantages of comparative analysis， based on tear down the connection stiffness coefficient and stability factor correction according to the strength of the connection coefficient definedafter corner displacement equation， this equation can complete description of the connection stiffness rod pieces by the force changes from zero to infinity changes the whole process.

【Key words】Semi-rigid；The connection stiffness coefficient；Angular displacement equation

现有的结构分析中，是将梁柱连接节点简单的划分为只能传递轴力和剪力的铰接，或能完全传递轴力、剪力和弯矩的刚性连接。但是，试验研究表明大多数工程中常采用的节点均会表现出介于铰接和刚性连接之间的性能即半刚性性能[1～3]

关于连接节点性能特性的研究及其对结构静态承载力的影响，近10年来已有较多的论述，在文献[2]中对常用的分析方法做了较为详细的综述。

1. 现阶段对于半刚性连接框架基本上采用以矩阵位移法为基础的数值分析法来进行分析。其中最为关键的刚度矩阵的建立方法主要有：

（1）有限元法：文献[4][5]中用有限元方法分析时，采用连接弹簧来模拟连接节点性能，在建立结构刚度矩阵时，连接弹簧刚度将分别影响柱刚度矩阵和梁刚度矩阵的建立。这与实际的物理模型是有差别的：在框架中，柱端是连续的，按照正常的有限元方法建立其刚度矩阵即可，梁柱连接的性能是集中在对梁单元的影响，应在梁单元刚度矩阵的建立过程中将梁端连接特性完全计入。同时，当采用杆件有限元法时，势必会在计算时忽略应变函数中位移的一些高阶项，用此进行多层框架这样由众多杆件藕合作用结构的分析，其所得结果的精度必然受到影响。

（2）梁柱理论：采用考虑连接性能修正后的转角位移方程来建立刚度矩阵。此方法直接由杆件的平衡方程来推导刚度矩阵，用超越函数简洁、精确地表达杆单元中力和位移的关系。现在研究中主要采用W.F.Chen[3][6][7]推导出的考虑连接刚度修正后的转角位移方程：

6. 结论

由以上的分析可清晰的看出，（2-8）能完整准确的描述构件随着杆件两端约束条件的变化承载力跟随变化的全过程，将端部连接分别为铰接、固接和半刚性连接的转角位移方程的表达统一起来。同时在用（2-8）式建立刚度矩阵时，不必要引入新的独立变量分项目就可准确、连续地描述结构刚度变化的全过程。

图5 ρ=1.0时弹性分析位移-荷载曲线

参考文献

[1] Stelmarch， Analysis and tests of flexibly connected steel frames[J] J. of Structural Engineering， ASCE， Vol.112 ，pp.1573-1588 1986.

[2] 陈惠发著 周绥平译 《钢框架稳定设计》[M] 世界图书出版公司 上海 1999.8.

[3] W.F.Chen， Practical analysis for semi-rigid frame design"[M] N.Y. World Scientific 1999.10.

[4] Ali etc.， An investigation for semi-rigid frames by different connection models[J] Mathematical and compytational Applications， Vol. 10， No.1， pp 35～44，2005.

[5] M.Soares Filho etc. Wind pressure in framed structures with semi-rigid connections[J] J. of the Braz. Soc. Of Mech. Sci. & Eng.， 2004 Vol. XXVI No.2 pp180～189.

[6] W.F.Chen and S.E.Kim， LRFD steel design using advance analysis[M]， Florida，CRC Press ，1997.

[7] W.F.Chen， Y.Goto and R.Liew， Stability design of semi rigid frames[M]， N.Y. Wiley，1993.

【摘 要】本文就现阶段进行有半刚性连接钢框架数值分析中经常采用的分析模型进行了优缺点对比分析，在此基础上提出根据连接的强弱系数 定义推倒出由连接刚度系数和稳定系数表示的修正后的转角位移方程，此方程能完整地描述连接刚度由零到无限大变化时杆件受力随之变化的全过程。

【关键词】半刚性；连接刚度系数；转角位移方程

Semi-rigid connected steel frame improving analytical methods

Chen Yong-ze

（Shaanxi Construction Machinery Co.， Ltd Xi'an Shaanxi 710032）

【Abstract】This article on this stage have a semi-rigid connected steel frame numerical analysis model is frequently used in the analysis of the advantages and disadvantages of comparative analysis， based on tear down the connection stiffness coefficient and stability factor correction according to the strength of the connection coefficient definedafter corner displacement equation， this equation can complete description of the connection stiffness rod pieces by the force changes from zero to infinity changes the whole process.

【Key words】Semi-rigid；The connection stiffness coefficient；Angular displacement equation

现有的结构分析中，是将梁柱连接节点简单的划分为只能传递轴力和剪力的铰接，或能完全传递轴力、剪力和弯矩的刚性连接。但是，试验研究表明大多数工程中常采用的节点均会表现出介于铰接和刚性连接之间的性能即半刚性性能[1～3]

关于连接节点性能特性的研究及其对结构静态承载力的影响，近10年来已有较多的论述，在文献[2]中对常用的分析方法做了较为详细的综述。

1. 现阶段对于半刚性连接框架基本上采用以矩阵位移法为基础的数值分析法来进行分析。其中最为关键的刚度矩阵的建立方法主要有：

（1）有限元法：文献[4][5]中用有限元方法分析时，采用连接弹簧来模拟连接节点性能，在建立结构刚度矩阵时，连接弹簧刚度将分别影响柱刚度矩阵和梁刚度矩阵的建立。这与实际的物理模型是有差别的：在框架中，柱端是连续的，按照正常的有限元方法建立其刚度矩阵即可，梁柱连接的性能是集中在对梁单元的影响，应在梁单元刚度矩阵的建立过程中将梁端连接特性完全计入。同时，当采用杆件有限元法时，势必会在计算时忽略应变函数中位移的一些高阶项，用此进行多层框架这样由众多杆件藕合作用结构的分析，其所得结果的精度必然受到影响。

（2）梁柱理论：采用考虑连接性能修正后的转角位移方程来建立刚度矩阵。此方法直接由杆件的平衡方程来推导刚度矩阵，用超越函数简洁、精确地表达杆单元中力和位移的关系。现在研究中主要采用W.F.Chen[3][6][7]推导出的考虑连接刚度修正后的转角位移方程：

6. 结论

由以上的分析可清晰的看出，（2-8）能完整准确的描述构件随着杆件两端约束条件的变化承载力跟随变化的全过程，将端部连接分别为铰接、固接和半刚性连接的转角位移方程的表达统一起来。同时在用（2-8）式建立刚度矩阵时，不必要引入新的独立变量分项目就可准确、连续地描述结构刚度变化的全过程。

图5 ρ=1.0时弹性分析位移-荷载曲线

参考文献

[1] Stelmarch， Analysis and tests of flexibly connected steel frames[J] J. of Structural Engineering， ASCE， Vol.112 ，pp.1573-1588 1986.

[2] 陈惠发著 周绥平译 《钢框架稳定设计》[M] 世界图书出版公司 上海 1999.8.

[3] W.F.Chen， Practical analysis for semi-rigid frame design"[M] N.Y. World Scientific 1999.10.

[4] Ali etc.， An investigation for semi-rigid frames by different connection models[J] Mathematical and compytational Applications， Vol. 10， No.1， pp 35～44，2005.

[5] M.Soares Filho etc. Wind pressure in framed structures with semi-rigid connections[J] J. of the Braz. Soc. Of Mech. Sci. & Eng.， 2004 Vol. XXVI No.2 pp180～189.

[6] W.F.Chen and S.E.Kim， LRFD steel design using advance analysis[M]， Florida，CRC Press ，1997.

[7] W.F.Chen， Y.Goto and R.Liew， Stability design of semi rigid frames[M]， N.Y. Wiley，1993.

【摘 要】本文就现阶段进行有半刚性连接钢框架数值分析中经常采用的分析模型进行了优缺点对比分析，在此基础上提出根据连接的强弱系数 定义推倒出由连接刚度系数和稳定系数表示的修正后的转角位移方程，此方程能完整地描述连接刚度由零到无限大变化时杆件受力随之变化的全过程。

【关键词】半刚性；连接刚度系数；转角位移方程

Semi-rigid connected steel frame improving analytical methods

Chen Yong-ze

（Shaanxi Construction Machinery Co.， Ltd Xi'an Shaanxi 710032）

【Abstract】This article on this stage have a semi-rigid connected steel frame numerical analysis model is frequently used in the analysis of the advantages and disadvantages of comparative analysis， based on tear down the connection stiffness coefficient and stability factor correction according to the strength of the connection coefficient definedafter corner displacement equation， this equation can complete description of the connection stiffness rod pieces by the force changes from zero to infinity changes the whole process.

【Key words】Semi-rigid；The connection stiffness coefficient；Angular displacement equation

现有的结构分析中，是将梁柱连接节点简单的划分为只能传递轴力和剪力的铰接，或能完全传递轴力、剪力和弯矩的刚性连接。但是，试验研究表明大多数工程中常采用的节点均会表现出介于铰接和刚性连接之间的性能即半刚性性能[1～3]

关于连接节点性能特性的研究及其对结构静态承载力的影响，近10年来已有较多的论述，在文献[2]中对常用的分析方法做了较为详细的综述。

1. 现阶段对于半刚性连接框架基本上采用以矩阵位移法为基础的数值分析法来进行分析。其中最为关键的刚度矩阵的建立方法主要有：

（1）有限元法：文献[4][5]中用有限元方法分析时，采用连接弹簧来模拟连接节点性能，在建立结构刚度矩阵时，连接弹簧刚度将分别影响柱刚度矩阵和梁刚度矩阵的建立。这与实际的物理模型是有差别的：在框架中，柱端是连续的，按照正常的有限元方法建立其刚度矩阵即可，梁柱连接的性能是集中在对梁单元的影响，应在梁单元刚度矩阵的建立过程中将梁端连接特性完全计入。同时，当采用杆件有限元法时，势必会在计算时忽略应变函数中位移的一些高阶项，用此进行多层框架这样由众多杆件藕合作用结构的分析，其所得结果的精度必然受到影响。

（2）梁柱理论：采用考虑连接性能修正后的转角位移方程来建立刚度矩阵。此方法直接由杆件的平衡方程来推导刚度矩阵，用超越函数简洁、精确地表达杆单元中力和位移的关系。现在研究中主要采用W.F.Chen[3][6][7]推导出的考虑连接刚度修正后的转角位移方程：

6. 结论

由以上的分析可清晰的看出，（2-8）能完整准确的描述构件随着杆件两端约束条件的变化承载力跟随变化的全过程，将端部连接分别为铰接、固接和半刚性连接的转角位移方程的表达统一起来。同时在用（2-8）式建立刚度矩阵时，不必要引入新的独立变量分项目就可准确、连续地描述结构刚度变化的全过程。

图5 ρ=1.0时弹性分析位移-荷载曲线

参考文献

[1] Stelmarch， Analysis and tests of flexibly connected steel frames[J] J. of Structural Engineering， ASCE， Vol.112 ，pp.1573-1588 1986.

[2] 陈惠发著 周绥平译 《钢框架稳定设计》[M] 世界图书出版公司 上海 1999.8.

[3] W.F.Chen， Practical analysis for semi-rigid frame design"[M] N.Y. World Scientific 1999.10.

[4] Ali etc.， An investigation for semi-rigid frames by different connection models[J] Mathematical and compytational Applications， Vol. 10， No.1， pp 35～44，2005.

[5] M.Soares Filho etc. Wind pressure in framed structures with semi-rigid connections[J] J. of the Braz. Soc. Of Mech. Sci. & Eng.， 2004 Vol. XXVI No.2 pp180～189.

[6] W.F.Chen and S.E.Kim， LRFD steel design using advance analysis[M]， Florida，CRC Press ，1997.

[7] W.F.Chen， Y.Goto and R.Liew， Stability design of semi rigid frames[M]， N.Y. Wiley，1993.