浅析半刚性连接对钢框架稳定性的影响

浅析半刚性连接对钢框架稳定性的影响

摘要：简要介绍几种典型半刚性连接方式，给出相应的弯矩—转角曲线，分析半刚性连接的受力和变形特性，总结半刚性连接对钢框架稳定性的影响因素。

关键词：半刚性连接、弯矩—转角、稳定、刚度

在现行钢结构的分析和设计中，为了简化计算，通常将钢框架梁柱节点简化为理想铰接或完全刚接。事实上，钢框架梁柱之间的连接既非完全刚性，也非理想铰接，在荷载作用下连接通常表现出一定的柔性，因此连接就本质而言应属于半刚性。考虑设计的简单和便捷，如果荷载作用下，连接的变形可以忽略时，则把连接简化为完全刚接，不会对框架的真实受力和变形带来较大的误差；同理，当连接的抗弯能力可以忽略，采用理想铰接模型则比较合理。但当连接的刚度处于完全刚接和理想铰接之间时，就应采用能够明确计入连接柔性影响的更为实际的分析方法[1]。连接的半刚性不仅改变钢框架梁-柱之间的弯矩分布，而且还会增加结构的水平位移，对结构的总体强度和稳定性造成较大的影响，因此对半刚性连接的特性需做深入的研究，以便在钢框架设计中按照实际的半刚性连接来考虑。

1 半刚性连接类型

见下图[2]

（1）顶底角钢连接(2)双腹板顶底角钢连接(3)双/单腹板角钢连接

(4)短T型钢连接(5)外伸端板连接(6)平齐端板连接

矮端板连接

图一半刚性连接类型

2 半刚性连接的受力性能及特性

2.1 半刚性连接的受力性能

以单跨梁作为分析对象分析半刚性链接的受力性能。在均布荷载q的作用下，梁两端的连接分别是刚接、铰接和半刚性连接，梁的跨度为L。按照结构力学的方法，刚接时梁端弯矩为qL2/12，跨中弯矩为qL2/24，跨中最大挠度为

qL4/384EI；铰接时梁两端弯矩为0，跨中弯矩为qL2/8，跨中最大挠度为5qL4/384EI；半刚性连接时，梁两端弯矩为0＜M端＜qL2/12，跨中弯矩为qL2/24＜M中＜qL2/8，最大挠度为qL4/384EI＜fmax＜5qL4/384EI；也就是梁端弯矩、跨中弯矩及最大挠度的大小取决于半刚性连接的刚度。

2.2半刚性连接的特性

半刚性连接M—θ曲线的特性

所有半刚性连接的M—θr曲线，均处于理想刚接（竖轴）和理想铰接（水平轴）之间。

弯矩相同时，连接的柔性愈大，θr值愈大。反之，对于指定的θr值，柔性大的连接就在相邻的连接间传递的弯矩少。M—θr关系曲线在加载过程中呈现出明显的非线性特性。

在M—θr曲线中切线斜率逐步减小，即连接的初始刚度Rki大于切线刚度Rkt。

连接的极限弯矩承载力在较为柔性的连接中降低。

图二半刚性连接弯矩转角曲线

一般来讲引起半刚性连接非线性特性的因素有很多，主要是由其构造所决定的。主要因素

（a）连接组合的材料本身不连续，螺栓、型钢等组成连接，且它们之间存在缝隙，这就导致在不同加载阶段，各组件之间会产生滑移和错动。

（b）在加载过程中由于应力分布不均比较严重，所以会引起节点组件的局部屈曲。

（c）组件因承受集中应力导致应变分布不均匀。

图三半刚性连接的弯矩转角特性

（d）梁柱连接处腹板的的局部屈曲。

（e）在外荷载影响下整体的几何变形。

对半刚性连接确定合适的连接刚度是至关重要，一般不宜采用初始连接刚度作为连接的刚度值，因为初始连接刚度是连接刚度的上限。由于连接的非线性，在加载过程中连接的刚度会小于初始刚度，这样就偏于不安全。

3半刚性连接对钢框架稳定性影响

梁柱间连接为半刚性，则梁柱间的转角不再相同，即截面斜率不再连续，假定在梁柱间加上一个螺旋弹簧，假设该弹簧的转动刚度为，取为连接的弯矩—转角曲线与梁线的交点处的割线刚度。

框架侧移失稳

设柱端产生转角，柱端转角为，且，梁端转角为且螺旋弹簧的转角为且，则三者的转角关系如下

(1)

按照结构力学可知梁端弯矩为

已知转动弹簧的弯矩与相同，弹簧的转角为，代入（1）式得

因为因此

因此只要将梁的线刚度乘以折减系数

即为考虑半刚性连接对框架有侧移失稳的影响。

无侧移失稳

设柱端产生转角且，梁端转角为且，螺旋弹簧的转角为，且

则三者的转角关系如下（2）

按照结构力学可知梁端弯矩为

转动弹簧的弯矩与相同，弹簧的转角为，代入（2）式得

因为，因此

为考虑半刚性连接刚度对钢框架无侧移失稳的影响。

4结论

设计时考虑梁柱连接的半刚性是非常有必要的，因为连接的半刚性使得梁的弯矩和挠度不像铰接和刚接那么极端。而且半刚性连接施工方便，构造简单。但是由于影响Kz的因素比较多，确定Kz就比较繁琐，需要大量的试验数据去拟合和精度较高的弯矩—转角曲线，半刚性连接降低了梁柱的稳定性，设计时应予以考虑。

参考文献

[1]陈惠发.钢框架稳定设计.上海世界图书出版公司.2001.264~268.388~395

[1]王新武.钢框架半刚性连接性能要求，武汉理工大学学报2002.11.第24期

[3]童根树.钢结构设计方法.中国建筑工业出版社.2007.105~107

[4]陈绍蕃.钢结构稳定设计指南.2004.116~125

作者简介：梁志鹏（1987—）,男，河北临漳县人，硕士，主要研究钢结构基本理论及应用