浅析钢结构中半刚性节点的应用

罗凤

摘 要：随着社会经济的快速发展，建筑行业也应用了越来越多新型的技术。比如当前得到普遍应用的钢结构，相对于传统的钢筋混凝土结构而言，钢结构的好工周期更短，承载能力更高，且还具有重量轻的优势，在高层结构中得到了广泛的应用。而节点作为钢结构的主要构成部分，只有保证其施工安装的有效性，才能确保钢结构的使用性能。因此，本文主要对钢结构中半刚性节点的应用进行分析。

关键词：钢结构；半刚性节点；应用

1 前言

在当前的建筑结构的设计施工中，虽然钢结构由其高强度和延伸性良好的优势得到了广泛的应用，但由于其还存在着易屈曲、失稳及脆性破坏的问题，阻碍了钢结构施工稳定性的提升，而这些问题很多都发生在节点位置。为降低钢 结构节点问题的发生几率，就需要对半刚性的节点进行研究应用，从而提升建筑的稳定性与安全性。

2 半刚性连接的主要类型及其受力性能

2.1 节点刚度的一般分类

钢结构的节点主要有三种类型，分别是刚性连接、半刚性连接以及理想铰接连接。通常情况下，在对传统的钢结构进行设计时，主要将梁柱连接划分为刚接及铰接等。其中，刚接指的是梁柱间的传力有着连续性特点，并且可以把剪力及弯矩的大部分由梁传至柱，梁柱间所具有的夹角不发生改变。而铰接指的则是梁和柱间仅仅只传递剪力但没有弯矩的传递过程。但在实际的应用过程中，对于钢框架而言，其在梁柱间则不可避免会有一定程度相对转动的出现，也就是梁柱间的连接刚度是受到限制的。同时，相关的实验也表明，对于钢结构的很多节点来说一般很难达到以上两种理想状态，大多连接节点的受力形式介于这两者之间，也就是我们通常说的半刚性连接。

2.2 半刚性连接节点的主要类型

一般情况下，都需要利用摩擦型的高强螺栓以及连接件，也就是角钢、短T型钢以及端板将梁与柱进行连接。最为常见的半刚性连接节点主要为：外伸端板的连接，T型的钢连接，双腹板角钢的连接，以及顶底角钢的连接。而由于外伸端板的连接有主传力路线明确以及计算简单的优势，在当前的刚结构设计中得到了极为广泛的应用。而T型钢连接则具有刚度较大的优势，在高层的钢框架结构也得到一定程度的应用。顶底角钢、双腹板角钢则由于其有着极其复杂的破坏形式，且承载力的离散程度很大，并且会有较多的因素对其承载力造成影响，所以在当前的建筑工程中还未得到较多的应用。

2.3 半刚性连接节点的受力性能

就以单梁为例，在均布荷载q的作用下，比如单梁的两端连接主要利用了刚性连接、铰接以及半刚性的连接，梁有1跨度。根据结构力学的方法进行计算，则刚性节点的梁，其梁端弯矩是ql2/12，跨中弯矩为ql2/24；铰接梁的梁端弯矩是0，跨中弯矩则是ql2/8。但半刚性的连接梁，其梁端的弯矩及跨中的弯矩则直接受半刚性连接刚度的影响，其刚度若趋近+∞，就证明其半刚性的连接属于刚性连接。但其刚度若与0接近，此连接就认定为铰接。所以，半刚性连接节点的梁端弯矩的区间为（0，ql2/12），连接的刚度越大则其梁端的弯矩就越大。结构在地震的发生过程中会有杆件与连接处的塑性铰出现，若应用刚性连接，一般都在梁的跨中位置呈现。但若是半刚性的连接，则其就会利用节点的屈服转动将地震波产生的能量吸收，塑性铰就会在梁柱的连接节点处出现。这样的背景下，通过对于半刚性的连接节点的应用，就促使节点的变形能力以及耗能能力与延性得到了有效的提升。

3 半刚性连接节点钢框架的规定与研究现状

美国规范中的结构连接形式主要是有完全约束型FR（fully restrained）与部分约束型PR（partially re-strained）。规范中则对于连接设计进行了重点的强调，刚度、强度及变形等因素的相互作用具有非常重要的影响，这样的分类主要是来自于连接的弯矩转角之间所存在的曲线关系，通过对于连接刚度及梁的刚度之间的比值进行的分类。规范中对于半刚性的连接也规定其要应用一种经过简化的二阶效应的计算方式，但其设计规范则只对于设计及计算的一般原则进行了制定，其原则具体的量化工作还需要设计人员进行细化。

欧洲规范中根据有支撑框架及无支撑框架将其框架连接形式主要划分成了刚接、半刚接以及铰接，并也對弯矩转角的曲线关系也进行了非常具体的分界值。而其规范所应用的分类方法只对节点的极限承载能力的情况，还没有对其正常的使用范围及状态进行规定。因为，梁柱单元其在极限承载能力的状态下，是一定会出现塑性变形情况下，所以这样的假定也是对于梁柱单元所具有刚度的高估。

我国的GB50017—2003《钢结构设计规范》中，则将框架划分成为了三类，分别是无支撑的纯框架、强支撑的框架以及弱支撑的框架。其中也包含了框架结构中刚性连接、铰接、半刚性的连接节点的一些概念，但还没有对于在其设计中的影响进行深入的研究。而对无支撑纯框架中，其侧向的刚度一般是通过刚架本身进行提供的，构件之间的连接若假定其要求是完全的刚接，就使得连接处的作业量得到了增加，不仅费时，还非常费力。在强支撑的框架结构中，剪力墙与其他的有效支撑体系给其提供了足够的侧向刚度，构件之间的连接若设定为完全的铰接，则梁柱只能够承受得了竖向的荷载，就会导致有较大尺寸梁的出现，同时要求其它的结构对其侧向的荷载进行承担。也就是说，在我国的规范中，最为现实与经济的钢结构连接设计其实就是半刚性的连接节点。在钢结构设计中应用半刚性的连接节点，不仅会降低其成本，其连接处的刚度也可以得到有效的利用。

而随着社会经济的快速发展，科学技术水平的不断提升，国内外的大量研究学者对于钢结构半刚性节点主要进行了以下内容的研究。首先，是对于计算半刚性节点的方法及理论的研究。其次是通过大量的实验研究了动静力性能。最后还通过有限元的方式更为精确地对节点开展了数值模拟实验。

4 总结

综上所述，自从半刚性连接在钢结构中应用以后，由于其所具有的动静力性能就受到了建筑行业的广泛关注。而通过本文的研究也能够发现，在对半刚性连接节点进行应用以后，不仅与实际的施工情况非常接近，更是使得结构的抗震性能得到了有效的提升，使得钢结构所具有的抗震性能好的优势得到了充分的发挥。此外，还还有效降低了结构的连接成本，实现了成本的节约，因此在当前的建筑的建设施工过程中，其受到了广泛的应用。

参考文献：

[1] 梁国栋，刘坚，高玥，赵泽平，张晗，杨伟，何国鹏.钢与砼混合结构半刚性连接节点研究进展[J].科技信息，2014（7）：26～27.

[2] 王传奇，高轩能.钢结构半刚性连接节点的应用[J].新型建筑材料，2008（4）：83～86.

[3] 徐凌，李晓龙.钢结构半刚性节点连接试验与性能分析[J].辽宁工程技术大学学报，2006（1）：66～69.