节点刚度对钢框架受力性能的影响分析

Analysis on the Influence of the Nodes Rigidity to the Stress Performance of Steel Frame

黄 剑1,赵滇生2HUANG Jian, ZHAO Diansheng（1.浙江壮华装潢有限公司，浙江义乌322018；2.浙江工业大学建筑工程学院，浙江杭州310014）



节点刚度对钢框架受力性能的影响分析

Analysis on the Influence of the Nodes Rigidity to the Stress Performance of Steel Frame

黄 剑1,赵滇生2
HUANG Jian, ZHAO Diansheng
（1.浙江壮华装潢有限公司，浙江义乌322018；2.浙江工业大学建筑工程学院，浙江杭州310014）

摘 要：编制半刚接钢框架计算程序，通过典型算例的计算分析，讨论了节点刚度变化对钢框架受力性能的影响，计算程序的正确性由算例得以验证。从而为半刚接钢架设计提供了参考。

关键词：钢框架；节点刚度；半刚性；受力性能

1 概 述

国内外学者对节点抗震试验结果分析表明：梁柱节点采用焊接刚性节点的钢框架，因节点延性较差易发生脆性破坏，而端板连接等半刚接钢框架节点则具有较强的耗能能力，有利于抵抗地震作用；同时，还可以减少斜撑和节点用钢量［1-3］。

半刚性连接因弯矩-转角为非线性关系，加上构件的二阶效应决定了半刚接框架的荷载与位移、内力的关系也是非线性，杆件的刚度矩阵和固端力均与刚性节点有所不同［4-6］。国内外对半刚接钢框架性能已展开许多研究，但钢框架的分析设计仍多将梁柱连接简化为刚接或铰接，原因是弯矩-转角的非线性关系的复杂性，以及结构设计分析的复杂性［7］。

鉴于半刚性连接的复杂性和多样性，规范对半刚接钢框架有详细设计规定的国家并不多，我国现行的《高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ 99—98）》中尚无相关规定；现行《钢结构设计规范（GB 50017—2003）》中规定对半刚接钢框架内力分析时必须预先确定连接的弯矩-转角曲线，以考虑连接变形的影响，但实际分析却存在一定的困难。因此有必要研究节点刚度对钢框架变形及内力分布的影响，以便在钢框架设计时给予考虑。

2 计算分析

本文运用自编半刚性钢框架计算程序分析典型算例，讨论节点刚度对框架的位移、内力和变形之影响，程序的正确性由算例得以验证。

2.1 节点刚度对钢框架节点位移和内力的影响分析

取算例1为一单跨两层的半刚性节点连接钢框架。节点和单元编号及荷载设计值见图1。柱截面均采用HZ220×110，梁⑤截面采用HZ240×120，梁⑥截面采用HZ200×100。L = 6.0 m，H = 4.0 m。梁柱连接采用典型的端板螺栓连接节点。节点柔度α= 2EI/（K0L）= 0.1，EI/L为梁的线刚度，K0为节点的连接刚度。

2.1.1 节点刚度对框架节点位移的影响

利用半刚性钢框架计算程序分析图1所示钢框架算例，得到节点水平位移、竖向位移和转角（图2）。转角不包括梁端半刚性连接产生的附加转角。

图1 单跨两层半刚接钢框架算例

图2 节点刚度对框架节点位移的影响

从图2可见，半刚接框架比刚接框架的节点水平侧移明显增大，一层节点水平侧移增大33%左右，二层节点水平侧移增大35%左右，说明节点刚度对框架的水平位移影响明显；但两种框架的节点竖向位移十分接近，说明节点刚度对框架的节点竖向位移几乎没有影响，这与节点半刚性所引起的单元轴力变化相对很小一致。节点半刚性对框架节点转角的影响比较复杂，左柱的3和5节点转角基本没影响，而右柱的4和6节点则影响较大，转角都增大。这是因为水平力产生的梁柱相对转角与竖向荷载产生的梁柱相对转角在左柱和右柱分别是抵消和叠加的关系所致。

2.1.2 节点刚度对框架内力的影响

分析得到各梁柱单元的弯矩、轴力和剪力见图3。

分析图3可知，半刚性框架与刚接框架相比，杆件端弯矩的影响明显，柱①下端弯矩略有降低，柱②下端弯矩却增大，柱③和④的下端弯矩均降低；柱①、②、③和④上端弯矩则均有降低，这与节点柔性引起梁端弯矩下降相一致。柱轴力变化很小，梁轴力变化稍大，但相对于梁的强度和刚度来讲，其变化依然很小；柱端剪力变化较大，梁端剪力基本不变，这与受力状态直接相关，且与梁和柱轴力的变化相对应。

2.2 节点刚度对框架变形的影响

取算例2为一单跨单层的半刚接钢框架，节点和单元编号、荷载设计值见图4。柱截面采用HZ220×110，截面性质：EAc= 0.688×106kN，EIc= 5.71×103kN·m2；梁截面采用HZ200×100，截面性质：EAb= 0.587×106kN，EIb= 4.0× 103kN·m2。L = 6 m，H = 4.5 m。梁柱节点连接形式与算例1相同。

为便于比较节点刚度对框架节点向水平侧向位移和梁挠度，取半刚接与刚接框架的节点侧移或梁挠度比λ= vb/vg，vb、vg分别为半刚接、刚接框架的节点水平侧移值或梁跨中挠度值。

2.2.1 节点刚度对框架挠度和水平侧移的影响

取不同的节点柔度系数，分析算例2在图4a）的竖向荷载作用下的半刚性节点与刚性节点框架的梁跨度中点4的挠度比λv；再分析算例2在图4b）的水平荷载作用下的半刚性节点与刚性节点框架的节点3或5水平侧移比λh。考虑材料为线弹性，分析结果见图5。

图3 节点刚度对框架杆件内力影响

图4 算例2计算模型

图5 节点刚度对框架挠度和水平侧移影响

由图5可知，在竖向载荷作用下，节点刚度对梁跨中挠度的影响较大。随着节点柔度系数α的增大，跨中挠度增加很快，但框架节点水平侧移变化则不大；在水平荷载作用下，节点柔度系数α对框架水平侧移影响较大，但对框架梁的跨中挠度影响则不明显。节点连接柔度系数α愈小，即节点连接刚度愈大，半刚接分析数据愈接近刚架计算程序的结果，α= 0时，两者计算结果一致，从而间接验证了本文半刚接钢框架分析程序的正确性。

2.2.2 节点刚度对不同跨度框架梁挠度和侧移的影响

再取图4算例2，分别取节点柔度系数α= 0.1，区分柱脚为刚接和铰接，分别分析在竖向荷载作用下，节点刚度对不同跨度框架梁跨度中点的挠度的影响，以及在水平荷载作用下，节点刚度对不同跨度框架的水平位移的影响。结果见表1。

表1 半刚性节点与刚性节点框架侧移比和梁跨中挠度比与框架跨度的关系

分析表1可知，跨度对柱脚铰接框架的水平侧移有明显的影响，对柱脚刚接框架的水平侧移影响较小；框架跨度增大，节点刚度对框架变形的影响减小。柱脚刚接框架，跨度大的框架梁的线刚度下降，则节点刚度相对增大，也就更接近刚性连接，故侧移变小；但柱脚铰接框架则相反，随着跨度的增大，控制侧移的梁线刚度变小，对节点侧移约束减小，故侧移反而增大。跨度对柱脚刚接和铰接框架梁跨中挠度的影响均不大。框架梁跨中挠度与梁的刚度、节点刚度及柱刚度都有关。随着跨度的增大，节点刚度及梁刚度对框架梁挠度影响逐渐减弱，梁挠度增大；但当跨度继续增大时，则框架梁相对细长，抗弯线刚度变小，因而节点刚度相对增大，就更接近刚性连接，因而算出结果又趋向于刚接，柱脚刚性和铰接的框架都具有这一规律。

3 结 语

半刚性节点和刚性节点的框架受力对比分析表明，节点刚度对钢框架受力性能具有多方面影响，这与文献［8］和［9］的试验研究结论相一致。

1）节点连接刚度对梁端弯矩、柱上下两端弯矩和柱剪力影响均较明显，但对柱轴力影响很小；

2）节点连接刚度对节点侧移、节点转角影响比较大，对节点竖向位移影响较小；

3）在竖向载荷作用下，节点连接刚度对框架梁跨中挠度影响较大，而在水平载荷作用下的影响则很小。

参考文献

［1］Astaneb-Asl A.Seismic performance and design of bolted steel moment-resisting frames［J］.Engineering Journal，1999，36（3）：100-120.

［2］Baharri R，Sherburne N.Finite element prediction of end plate bolted connection behavior II：Analytic formulation［J］.Journal of Structure Engineering，1997（2）：157-175.

［3］关巧英.端板半刚性连接钢框架在周期荷载作用下的抗震性能分析［D］.青岛：山东科技大学，2011.

［4］方垒，徐伟良.门式刚架端板连接节点半刚性的非线性有限元分析［J］.浙江工业大学学报，2008（4）：451-455.

［5］张上.半刚性框架节点性能研究［D］.成都：西南交通大学，2009.

［6］许建勋.钢框架节点受力性能及其对框架受力性能影响研究［D］.杭州：浙江工业大学，2002.

［7］王静峰，李国强，刘清平.竖向荷载下半刚性连接组合框架梁的承载能力极限状态设计［J］.建筑结构学报，2006（12）：9-17.

［8］李国强，王静峰，刘清平.竖向荷载下足尺半刚性连接组合框架试验研究［J］.土木工程学报，2006（7）：43-51.

［9］李国强，刘清平，王静峰.水平荷载作用下足尺半刚性连接组合梁框架试验［J］.土木工程学院报，2007（12）：8-16.

中图分类号：TU391、TU328

文献标志码：A

文章编号：1008-3707（2016）02-0011-04

收稿日期：2015-08-19

作者简介：黄 剑（1959—），男，浙江义乌人，工程师，从事建筑结构与装修工程工作。