门式刚架节点螺栓连接的刚度分析

门式刚架节点螺栓连接的刚度分析

本文通过《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（2012年版）（下文简称《规程》）7.2节新增节点设计内容，根据节点转动刚度公式，分析了提高门式刚架节点刚度的各种措施，得出了结构设计工作中如何满足刚性节点要求的一些有效措施。并从工程实际问题出发，提出了一些工程实际应用中具体面临的问题。

标签：门式刚架；梁柱连接；刚性节点

1 概述

梁柱连接是门式刚架结构的一个基本组成部分，对于整个结构的受力与安全具有重大影响。一旦连接发生破坏，结构构件再强也不能发挥作用。门式刚架的梁和柱通常采用半刚性的螺栓端板连接，这种梁柱连接设计有些达不到刚节点要求，不仅使刚架的位移增大，还使其承载力下降。多跨刚架，中柱全部用摇摆柱时，边柱和梁连接的刚度更是举足轻重[2～4]。《规程》将梁与柱端板连接节点的刚度计算内容加入修订条文，要求把连接节点设计成全刚性的[1]。

本文针对《规程》中新增刚接节点的相应内容，由EXCEL编写了节点刚度计算程序，分析了提高门式刚架节点刚度的措施，提出了结构设计工作中如何满足节点刚度要求的一些有效措施和具体面临的问题。

2 节点刚度设计探讨

梁柱连接节点在弯矩M作用下发生转动，梁端转角大于柱顶转角，二者之差θ即为梁与柱的相对转角。则节点的转动刚度为产生单位相对转角所需要的弯矩，即R=M/θ。由公式可知θ角越小，节点刚度愈大，越接近完全刚性。节点的相对转角θ由主要由柱腹板区的剪切变形、螺栓拉伸、端板及柱翼缘弯曲变形产生，其中，主要为端板弯曲和柱剪切变形。

2.1影响节点刚度的因素分析

《规程》中单跨门式刚架梁与柱的连接节点，转动刚度R按照（7.2.21-1）计算。多跨框架的中柱为摇摆柱时，式中的系数应适当提高，可取40或50。

式中：R——刚架横梁与柱连接节点的转动惯量；

Ib——刚架横梁跨间的平均截面惯性矩；

lb——刚架横梁的跨度；

E——钢材的弹性模量。

节点构造形式可以有多种形式，如梁柱节点横接、竖接和斜接等。由公式可得出螺栓的强度等级对提高节点刚度没有明显的效果。同时可知，R与刚架横梁的Ib和lb有关。另外，调整端板外伸部分的螺栓中心到其加劲肋外边缘的距离ef，也可以大幅度的改变节点刚度。

当端板厚度增加时，其弯曲变形随之减小，因此提高端板厚度也可增大节点刚度[3]。

节点域设置斜加劲肋和加厚腹板也是提高节点刚度的有效方式，主要是增大了节点域的弯曲和剪切变形能力，同时有增大刚度的作用。

文献[5]指出高强螺栓加的预拉力也对节点连接刚度有增强作用。

在一定条件下，提高节点刚度也可以采用上述两种或多种方式的结合。

2.2工程设计中提高节点刚度的有效措施

为方便直观的了解提高梁柱端节点和中间节点刚度措施的效果，取单跨和双跨门式刚架，跨度为L=18～24m，檐口高度H=8m，屋面坡度取5%，梁柱均为对称截面。

表2为表1各类型的刚架梁柱节点横接和竖接的节点刚度，端板厚度均取为20mm，端板宽度取梁柱截面较大值+（20mm～30mm），螺栓中心到其加劲肋外边缘的距离ef均取为45mm。当不满足刚性节点时，采用加厚腹板和斜加劲肋措施提高节点刚度。其中，为便于计算和比较，腹板厚度加厚到8mm，斜加劲肋采用-8mm×90mm，斜加劲肋角度取为45度。（见表2）

从表1、2中可知，对于单跨刚架，端节点刚度值横接和竖接时相同，都不满足刚性节点的要求，采取加厚腹板方式和设置斜加劲肋方式都能达到刚性节点要求。节点域设置斜加劲肋可起到减小节点剪切变形、增大刚度的作用，这主要是由于端板斜放增大了抗弯力臂，同时又大大减小了节点域剪切变形。但是由于屋面支撑在檐口处一般设置通长系杆，有些钢结构公司习惯设置连接件将系杆与刚架梁柱连接，而连接件一般与斜加劲肋相碰，影响工程安装。节点域加厚腹板增大了节点域的弯曲和剪切变形能力，也是提高节点刚度的一个有效方式，而且施工安装方便。

表1双跨刚架类型3、4中，刚架梁的截面相同，跨度不同，可知类型3刚架梁的平均线刚度大于类型4刚架梁的平均线刚度。由表2节点刚度计算值可知，不论是端节点还是中间节点，对于梁柱横接与竖接方式，类型3的节点刚度值远小于类型4，类型3的节点刚度不满足刚性节点，而类型4的节点均达到刚性节点。从某种意义上看，节点刚度与刚架横梁的线刚度有关，梁的线刚度愈大，连接所需要的转动刚度愈大，即刚架梁的平均线刚度愈大，节点刚度愈小。因此，降低梁的线刚度，能从根源上减小节点的转动刚度。

2.3工程设计中提高节点刚度面临的具体问题

工程中，有些门式刚架承受的荷载大，而跨度小时，刚架在端节点的刚度值往往较小，其值远远小于25EIb/lb，往往需要设置厚度异常大的斜加劲肋才能满足要求，或者把节点域腹板加到几倍厚度等级才能达到完全刚接节点。又如，门式刚架中由于条件限制，必须要设置门式支撑时，其节点刚度往往很小，很难通过措施达到刚接节点要求。

对于门式端跨刚架，当设置抗风柱和抗风交叉支撑时，使得跨度减小，虽然梁柱截面较小，梁柱连接端节点刚度也会非常小，甚至小于10EIb/lb。这时不管采用何种措施，节点刚度都很难满足40EIb/lb。

以上这些是工程实际面临的具体问题，是不是必须要满足刚接点要求，还有待进一步的考虑。

欧洲规范规定：当节点的初始弹性刚度大于下列规定值时，節点为刚性节点。无支撑结构为25EIb/Lb，有支撑结构为8EIb/Lb[6]。对于端刚架，由于柱间交叉支撑的作用，能很大程度的提高刚架柱的位移，同时梁间的挠度也有大幅度的提高，节点刚度值的控制适当降低或者梁柱节点设置成半刚性的连接，笔者认为是可行的。

3 结论

本文讨论了梁柱节点刚度的影响因素，分析了工程设计中提高节点刚度的一些有效措施。工程中有些节点连接为半刚性连接，设置成刚性节点存在着具体的问题，对于这些实际的问题，究竟如何把握，应引起足够重视。

参考文献：

[1] CECS102：2012门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S]

[2]陈绍蕃.门式刚架端板螺栓连接的强度和刚度.钢结构，2000，（15）：47

[3]陈绍蕃.轻型门式刚架梁柱连接如何设计成刚性节点.钢结构，2012，27（4）：158

[4]李少甫.钢结构的螺栓端板连接.建筑结构，1998（8）：24～26

[5]荆军，石永久.节点刚度对轻型门式刚架结构设计的影响[J].工业建筑，30（5）：58-61

[6]施刚，石永久，王元清，李少甫，陈宏.钢结构半刚性端板连接的设计方法与应用*.工业建筑，2003（8）：33