半刚性连接在组合结构设计中的应用_陈伟力

图 4 节点构造详图 Fig .4 Structure of joint
2 讨论
2 .1 用钢量的比较
由表 3 可以看出 , 调幅后工字钢梁的用钢量不变化 , 但支座处所配负筋大大减少了 , 采用半刚性连
接进行梁端调幅的比采用刚性连接梁端不调幅的总的用钢量大约节省了 9 %, 实际上 , 在节点区连接构
Fig .2 Section in the middle of composite beam
1 .2 内力分析
对结构进行弹性静力分析, 采用分层法计算梁柱弯矩, 取半边结构计算 , 最终梁柱弯矩值如表 1 所示.
表 1 各层梁柱控制截面弯矩值
Tab .1 Bending monment in the control section of beams and columns
连接及调幅情况 刚接不调幅
位置 边支座 内支座
超 出部分弯矩 M / kN·m 16 540
S计/ mm2 120 7 130
配筋 3Υ12 28Υ18
S实/ mm2 339 7 126
边支座
/
半刚接调幅
内支座
249
构造 2 207
3Υ12 11Υ16
339 2 211
1 .4 节点构造 节点构造详图见图 4 , 加强环由同心圆板构成 , 在钢板和环连接处
造用钢量上 , 前者也比后者略为节省 , 因为为了使节点刚度更大 , 要求加强环增大宽度 , 钢梁上下翼缘
若采用半刚性连接 , 且考虑梁端弯矩调幅 .由于采用了半刚性连接 , 节点具有较大的转动能力 , 可
以考虑调幅 .按层间侧移 δ最大为 h/ 400 , 求得梁端弯矩调幅系数 K =0 .744 , 小于规范要求 K ≥0 .75 , 所以取 K =0 .75 , 则边支座 MD =482 kN ·m , 内支座 ME =875 kN ·m , 跨中 M3 =762 kN ·m , 跨中 及边支座满足抗弯承载力要求 , 而内支座不满足抗弯承载力要求 , 需要加配钢筋用以承担负弯矩 , 计算
福州大学学报(自然科学版)
Journal of Fuzhou University(Natural Science)
Vol .31 No .6 Dec .2003
文章编号 :1000-2243(2003)06 -0709-04
半刚性连接在组合结构设计中的应用
陈伟力 , 郑惠川
(福州大学土木建筑工程学院 , 福建 福 州 350002)
收稿日期 :2003 -05 -02 作者简介 :陈伟力(1979-), 男 , 硕士研究生 .
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福州大学学报(自然科学版)
第 31 卷
的混凝土现浇楼板 , 板厚 100 mm , 板托高度 100 mm , 具体尺寸见图 2 . 楼(屋)面上传递到组合梁上的各项荷载及组合梁自重总和 q =80 kN/m . 采用换算刚度法计算柱的线刚度 i c , 为 3 .468 ×1010 N · mm , 组合梁的线刚度 ib 为 4 .689 ×1010
1 工程实例
某工业厂房 , 根据工艺布置要求 , 柱距 8 m , 柱高 5m , 跨度 12 m .采用钢管混凝土柱和钢 —混凝土 组合梁的组合结构体系 .计算简图见图 1 , 选取中间典型单元分析计算 . 1 .1 基本资料
钢管混凝土柱截面尺寸取值参照已有工程 , 采用 Q235 , Ф500 ×10 钢管 , 内灌 C30 混凝土的钢管混 凝土柱 .组合梁的钢梁采用不对称焊接工字钢梁 , 总高度 h 按抗弯强度和刚度要求确定 , 由刚度要求的 梁高大致和纯钢梁相同或略小 , 按文献[ 2] , 组合梁截面高跨比 h/ l ≥(1/15 ～ 1/ 16), 且钢梁截面高度不 应小于组合梁截面总高度的 0 .4 , 本例截面总高度 h 取 750 mm , 钢梁高度 550 mm .楼(屋)面板采用 C25
rigid connections . Keywords :semi -rigid connections ;composite structure ;beam ;design
钢管混凝土柱 、 钢 —混凝土组合梁均为钢 —混凝土组合材料 , 由二者结合而形成的全组合结构近 年来在工程实践中 , 特别是在高层 、 大跨度及重载结构中 , 越来越多地得到应用 .钢管混凝土和钢与混 凝土组合梁连接节点型式多种多样 , 文献[ 1] 提出按梁柱间的弯矩传递情况 , 节点可分为刚接节点 、 铰 接节点和弹性连接节点(即半刚性节点), 划分依据是梁柱间的夹角是否出现转动 .铰接节点的原理和 构造较为简单 , 只需设置牛腿传递梁端剪力 , 而弯矩不能传递到钢管混凝土柱上 , 没有发挥框架结构在 力学上的优势 .在工程实践中 , 完全刚接的节点实际上是不存在的 , 节点或多或少会出现转动 .刚度和 承载力是决定节点力学性能的 2 个重要指标 , 在设计中若能保证节点在正常使用状态下具有所需的刚 度 , 可按半刚性连接设计 , 在验算节点处极限承载力时考虑梁端弯矩调幅 .采用半刚性连接节点 , 考虑 到钢 —混凝土组合梁内力塑性重分布 , 对梁端弯矩进行调幅 , 可减少梁端支座处的受力负筋 , 既节省结 构的用钢量 , 又保证了混凝土的浇灌质量 , 同时减轻结构自重 , 增大结构的延性 , 改善结构的受力与抗 震性能等 .本文试结合一个工程设计实例 , 具体分析一组合连续梁采用半刚性连接的性能 .
结果见表 2 .经验算 , 钢梁板件的宽厚比满足规范要求 , 不会发生局部失稳 ;中间支座截面拉力比 g =
0 .21 >0.15 , 可以采用梁端弯矩调幅 . 表 2 支座处纵向钢筋面积
Tab .2 Area of lognitudinal reinforcing steel bar at the end of composite beam
组合梁支座截面如图 3 所示 , Ast 为位于混凝土板计算宽度内 的纵向钢筋截面面积 , 截面的受弯承载力 M =Mp +Ms .式中 Mp 为钢梁的塑性受弯承载力 , Mp =Wpxf p , Wpx 为钢梁绕 x 轴的塑性 图 3 钢 -混凝土组合梁支座截面图 截面抵抗矩 ;Ms 为混凝土板中计算宽度内纵向钢筋的抵抗弯矩 .Fig .3 Section at the end of composite beam
所在层
边支座
M梁/ kN·m 跨中
内支座
M柱/ kN·m
上端
下端
底层
/
/
/
M = 248
M = 124
第2层 第3层
屋面
MA, C = 587 MD , F = 642 MG , I = 439
M1 , 2 = 564 M3 , 4 = 536 M5 , 6 = 597
MB = 1 166 ME = 1 166 MH = 1 248
摘要 :结合工程实例 , 介绍了半刚性连接在组合结构设计中的应用 , 同时对用钢量 、 结构性能 、 施工质量控
制 、 经济性等问题进行探讨 .半刚性连接的结构性能良好 , 耗能能力优于刚性连接 .
关键词 :半刚性连接 ;组合结构 ;梁 ;设计
中图分类号 :TU318 .2
文献标识码 :A
Application of semi -rigid connections in the design of composite structure
2讨论21用钢?的比较由表3可以看出调幅后工字钢?的用钢??变化但支座处所配负筋大大减少了采用半刚性连接进??端调幅的比采用刚性连接?端?调幅的总的用钢?大约节省了9实际上在节点区连接构造用钢?上前者也比后者略为节省因为为了使节点刚度?大要求加强环增大宽度钢?上下翼缘的拼接板厚度也要增加
第 31 卷 第 6 期 2003 年 12 月
取用 :梁跨度的 1/ 6 , 梁相邻净距的 1/ 2 , 钢筋混凝土板厚度的 6 倍).负弯矩区截面受拉混凝土板计算 宽度 , 可采用跨中处混凝土板的计算宽度[ 3] .
图 1 计算简图
图 2 钢与混凝土组合梁跨中截面图
Fig .1 Simplify drawing of calculation
CHEN Wei -li , ZHENG Hui -chuan
(College of Civil Engineering and Architectures, Fuzhou University , Fuzhou, Fujian 350002, China)
Abstract :This paper briefly presents the application of semi -rigid connections in the design of composite structure through the experimental engineering design , and proceeds to study to a few problems such as quantity of steel , structural performance , construction quality control at the same time .The structure with semi -rigid connections exhibits good performance , dissipates more energy than the structure with
M = 302 M = 439
/
M = 339 M = 339
/
1 .3 组合梁截面计算 以第 3 层组合梁计算为例 , 按钢结构设计规范[ 4] 及文献[ 5] 进行计算 .当跨中截面 behc1 fcm ≤ Af p , 即
塑性中和轴在钢梁截面内 , 由公式 M = be hc1f cmY 1 +Acf pY 2 , Ac =0 .5(A -be hc1 f cm/ f p), 计算得跨中处 钢与混凝土组合梁的截面抗弯承载力为 1 237 kN·m .式中 hc1 为混 凝土板的厚度 ;f cm 为混凝土弯曲抗压强度设计值 ;Ac 为钢梁受压 区截面积 ;f p 为塑性设计时采用的型钢抗拉强度设计值 , f p =0 .9 f ;Y 1 为钢梁受拉区截面应力的合力至混凝土板截面应力的合力间 的距离 ;Y2 为钢梁受拉区截面应力的合力至钢梁受压区截面应力 的合力间的距离 .
第6 期
陈伟力 , 等 :半刚性连接在组合结构设计中的应用
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计算得 Mp =626 kN·m . 若采用刚性连接 , 不考虑梁端的弯矩调幅 , 则跨中弯矩 M3 =536 kN·m , 原来采用的组合梁跨中截
面满足抗弯承载力要求 , 但边支座弯矩 MD =642 kN·m , 内支座弯矩 ME =1 166 kN·m , 不满足承载力要 求 , 需加配钢筋用以承担负弯矩 , 计算结果见表 2 .
N ·mm , 其中 i c =(EI)sc/ l c , (EI)sc =Es I s +E cIc , Es 、 Is 分别为钢材的弹性模量和惯性矩 , Ec 、 Ic 分 别为混凝土的弹性模量和惯性矩 , l c 为层高 ;ib =Es I0/ lb , I0 为换算成钢截面的组合梁截面惯性矩 , lb 为梁的跨度 .工字钢梁中和轴至钢梁顶面距离 y1 =314 mm , 组合截面中和轴至混凝土顶板距离 y2 = 240 mm .跨中处混凝土板的计算宽度 be 按混凝土结构设计规范的规定计算为 1 600 mm , 其中 be =b0 + b1 +b2 , b0 为混凝土板托的顶部宽度 , b1 、 b2 为梁外侧和内侧钢筋混凝土板的有效宽度(按下述最小值
为应力集中点 , 如果存在缺陷 , 则应力很小时就产生裂缝 , 有可能降低 梁端部的转动能力 , 应设置半径大于 10 mm 的圆弧过度区 .节点工作机 理为 :剪力由和梁腹板相连的螺栓或焊缝传递 , 弯矩则由上下加强环传 递.实际工程中较多采用腹板栓接 , 既方便施工 , 又避免焊接残余应力 及工地接缝的质量问题 .为确保剪力传递可靠 , 应对抗剪螺栓的抗剪强 度和梁腹板角焊缝的抗剪强度进行验算 .为确保弯矩传递可靠 , 加强环 的宽度要足够大 .通过加强环与钢梁的连接是比较可靠的连接方法 .因 为核心混凝土只能阻止钢管壁向内的径向变形 , 而在梁的拉力作用下 , 管壁很容易发生向外的径向变形而使管壁产生局部绉曲 , 丧失工作能 力, 而加强环约束了钢管向外的径向变形[ 6] .