端板连接半刚性钢框架节点抗震性能分析

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度 加大 。本 文对 比研究 了外 伸 端 板 连 接 、 齐 平
端 板连接 与 刚性 连 接 节 点 的静 力 性 能 和 抗 震 性
收 稿 日期 : 0 10 -1 2 1 -90
由于梁 、 、 柱 端板 及螺 栓选 用 S l 9 元 , o d 2单 i 所 以选 择 四面 体 网格 , 应 力 集 中的螺 栓 杆 处 将 网 在
的柔 性 , 在荷 载作用 下 , 既不 会像 完全 刚性 连接那
样保 持梁 柱之 间 连 续性 ( 图 l a 所 示 ) 也 不 如 () ,
会像 完全 铰接那 样无 限 制 的转 动 。梁柱 之 间能发
生相 对 转 动 又 具 有 一 定 的 抗 弯 承 载 能 力 ( 1 图
() 。 b )
2 2 滞 回性 能分 析 .



1 —. — , 0 06 0 / 0

。 — —
。 ‘

周 期荷 载下 的 弯矩 一转 角 曲线 、 架 曲 线 以 骨
及 节点 在各 加 载 阶 段 的应 力 变 形 图 分 别 如 图 7、
图 8和 图 9所 示 。



茧 囊


。 。


注 : M. 别为 单 荷载 和周 期荷载 作用 极 抗 弯承 载力 。 Mu和 2 分 艮

-3 0 0



周 期 加载 单 调 加载
相 比单 调加 载 , 期 荷 载 作 用下 端 板 连 接 和 周
刚性连 接 的极 限转角 都有 不 同程度 的降低 。在周
年代 以后 , 钢结构 建 筑才在 我 国兴起 , 其设 计方 法 也慢慢 得 到工程 界 的重视 。九 十年代 发 生在 美 国 洛 杉 矶 ( 9 4) 19 、日本 阪 神 ( 9 5) 和 土 耳 其 19 、
螺栓 , 采用 多 线 性 等 向强 化 模 型 ( 图 3所示 ) 如 。
T R E7 A G 10和接触单 元 C N A14模 拟 . ; OT 7 4 高强
螺 栓 通 过 命 令 P ME H 生 成 的 三 维 预 紧 单 元 S S P E S7 R T 1 9来施 加 预拉力 。
( )刚性 连 接 a ( 半 剐性 连 接 b)
1 2 材 料属 性 .
— .2 00
O0 .2
OO .6
0 .

— . 一 P . 2 L B O

。 。
— 一P — 2 — LWB 0 ・

・ —P — r L R
转 角 /a td
图 8 骨 架 曲线
饱满 , 曲线包裹 面积 大 , 明外 伸 端板 连接具 有 良 说
好 的延性 与耗 能能力 。外伸端 板 连接 的节点 转角 由节 点域 变形 和端板 与 柱翼缘 之 间 的相 对 变形两 部分 组成 , 要 来 源 于节 点 域 变 形 。节 点 域 的变 主 形主 要为剪 切 变形 , 在初 始 阶段 , 点域 的剪 切变 节
图 1 钢 框 架 梁 柱 节 点
半 刚性 节点有 较 好 的抗 震 性 能 , 很好 地 解 能
决 刚性连 接节 点 延性 不 好 、 易 发 生 脆 性 破坏 的 容 问题 。我 国对 半 刚性 节 点 的研究 起 步较 晚 , 十 八
参考 清华 大学 端 板半 刚性节 点试 验 中 的材料 性 能试 验结 果 J 梁 、 与端 板 均 采 用 Q 4 B结 , 柱 35 构钢 , 调荷 载模 型 采 用 双 线性 等 向强 化 本 构关 单 系模 型 , 期荷 载模 型采 用 多线性 随 动强化 模型 , 周 如 图 2所示 。 高 强螺 栓 选 用 1 . 摩 擦 型 高强 0 9级
小 , 明 刚性 连接 的延 性 与 耗 能 能 力很 差 。刚性 说 连接 的节 点转 角也 主要来 自节点域 变形 。在 节 点
形很 小 , 乎 可 以忽 略 ; 几 进人 塑性 阶段 后 , 随着 荷
载 的不 断增 加 , 节点域 的剪 切变 形迅 速增 大 , 导致

2 8・ 8
接触 对 、 加螺 栓 预拉力 、 加约 束 和施加 荷载 等 施 施
步骤 。
1 1 单元 类型 .
本文 所有 模 型均 选 用 实 体 单 元 , 、 、 梁 柱 端板
及 螺栓 等 钢 构 件 用 S LD 2模 拟 ; 板 与 柱 翼 O I9 端 缘 、 杆 侧 壁 与 螺 栓 孔 之 间 的 接 触 用 目标 单 元 螺
节点 域 的塑 性 区域 迅 速 发 展 。所 以 , 伸 端 板 连 外
接 的主要 耗能 构 件 是 节 点域 柱 腹 板 , 良好 的耗 其
能能 力 主要 源于节 点域 柱腹 板 的塑性 发展 。 从 P — 的应 力 变 形 图及 滞 回 曲线 可 以 看 LR 出: 刚性连 接滞 回曲线很 不饱 满 , 曲线 包裹 面积很









2 1 年 01
节点 刚度 和很好 的延 性 和耗 能 能 力 , 以实 际 结 所
构 中应优先采用此类构造的端板连接。平齐端板 连接虽然具有较好 的延性 , 但承载力较低 , 耗能性 能 较 差 , 以 实 际 结 构 中 应慎 用 该 种 连接 方 式 。 所 刚性连接承载力较高 , 但是其延性及耗能能力太 差, 在抗 震设 计 中不 宜选 用该 种连接 。
本文利用大型有 限元软件 A S S分析 了外伸端板连接 、 齐端板连 接与 刚性连接 节点抗 震性能 的不 同 , 与 NY 平 并 单调荷载下静力性能相对 比 , 研究了节点承载力 、 应力变形特性 、 延性 及耗能 性能 , 通过结 果分析 , 出了合 理 指 的外伸端板半 刚性连 接可以用 于抗 震设计中。
从 P— 2 L WB 0的应力 变形 图及 滞 回曲线 可 以 看 出 : 伸端 板 连 接 滞 回 曲线 呈 “ 形 ” 稳 定 且 外 梭 ,
. .
转角/a rd
PL— R
图 7 周期荷载下的弯矩 一转角 曲线

3O 0
2 0 0 吕

广

1 O O

1 0
一 .6 o0
参 考 文 献
[ ] 陈惠发.钢框 架稳定 设计 [ ,周绥平 译.上海 : 1 M]
世 界 图书 出版 公 司 , 9 9 19 .
能, 并指 出了端板 半 刚性 连接 的优 势所在 。
刚接 也不 是理 想 铰 接 , 是处 于理 想 刚 接 和 理想 而
铰接 之 间的半 刚 性 连接 … 。所 谓半 刚性 连 接 , 是
指梁 柱节 点连 接具 有一 定刚度 的同时 又具有 一定
1 有 限元 模 型 的建 立
本 文半 刚性 节点 的建模 过程 包 括定 义单元 类 型 、 义 材料属 性 、 定 建立 几何 模 型 、 分 网格 、 建 划 创
王 来 , 刘伯顺 , 薛 勇
(. 1 山东科技大学 山东省土木工程 防灾减 灾重 点实验室 ,山东 杭州
66 0; 青 岛 2 51
2 浙江东南 网架公 司 , . 浙江 摘
3 10 3 上汽通用五菱青 岛公 司,山东 青 岛 129; .
265 ) 6 55
要: 半刚性节点具有较好的抗震性 能 , 能很 好地 解决 刚性 连接 节点延 性不 好 、 容易 发生脆 性破 坏 的问题 。
第 3期

来等 :端板连接半刚性钢框架节 点抗 震性 能分析
‘2 7 ・ 8
化 也不大 , 刚 性 连 接 降低 很 大 。这 说 明 了端 板 而
连接 在周 期荷 载下 和单 调荷 载下 的塑性 抗 弯承 载
力 和极 限抗弯 承载 力具 有一 致性 , 当受 条件 限制 , 只能 进行 单调 试验 时 , 能够 得 到 较 为 精 确 的滞 仍 回模 型 。在周 期荷 载下 , 齐端板 连接 P —2 平 LB 0的 极 限抗弯 承 载 力 远 小 于 外 伸 端 板 连 接 P - 2 LWB 0 ( 为外伸 端板 连接 的 6 % ) 刚性 连 接 的承 载力 约 0 ,
也小 于外 伸端板 连 接 。
表 2 单调 荷载 与周 期 荷 载模 拟 结 果 对 比


3 O 0
2 0 0 lO O



獬 锦

00 .6



— —


周期 加 载 单调 加 载
转角/a td
P B2 L— O
模 型 编 号

() 2 端板 连接在 周 期荷 载 和单 调 荷 载下 的 极 限抗弯 承载 力和 极 限 转 角具 有 一致 性 , 当受 条 件 限制 , 只能进行 单调 试验 时 , 能够得 到较 为精 确 仍
的滞 回模 型 。
() 3 为保证节点破坏时的延性 , 应使端板 、 节
点 域柱腹 板等 板件 的承 载力低 于螺栓 等连 接件 的 承 载力 , 保证 板 件 先 于连 接 件 破坏 。对 于本 文 研 究 的端 板半 刚性连 接 , 议采 用较 大直径 的螺栓 , 建 中等厚 度 的端板 。
作者简介:王
来( 9 3 ) 山西大同人 , 16 - , 博士 , 教授 , 研究方向为钢结构与组合结构( ma :ldjy ia CB) E i wk t @s .O l x n
项 目资助:国家科技支撑计划资助项 目( 09 A 2 B 2 ; 2 0 B J8 0 ) 山东省“ 泰山学者 ” 资助项 目(0 9 1 1 2000 )
期荷载 作用 下 , 板 连 接 的极 限 转 角 明显 大 于 刚 端 性连 接 的极 限转 角 , 伸 端 板 连 接 的极 限转 角最 外 大 , 说 明了端板 连接 的延 性优 于 刚性连 接 , 这 而外

转 角/ d t a
P W B2 L— 0
20 0
伸端板 连接 的延 性又优 于 平齐端 板 连接 。
关 键 词 : 板 连 接 ; 半 刚性 ; 抗 震 性 能 ; 滞 回 曲线 ; 延 性 ; 耗 能 性 能 端 中 图分 类 号 :U 1 . T 32 1 文献标识码 : A 文 章 编 号 :0 50 8 (0 10 -2 50 2 9 -9 5 2 1 )3 8 -4 0
实 际钢结 构 工 程 中 的框 架 节 点 , 不 是 理 想 既
所 有材 料均 为各 向同性 , 松 比取 0 3 端 板摩 擦 泊 ., 面的抗 滑移 系数 取 0 4 。 . 4
1 3 网格划 分 .
(99 的地震 中 , 统 的刚 性连 接 节 点受 到 较 为 19 ) 传 严 重 的破 坏 , 国 内学 者 对 半 刚性 节 点 的研 究 力 使
第2 8卷 第 3期 2 1 年 9月 01







Байду номын сангаас


Vo. . 128 No 3
J u n lo ii En i e rn n n g me t o r a fC v l gn ei g a d Ma a e n
S p. 011 e 2
端 板 连 接 半 刚 性 钢 框 架 节 点 抗 震 性 能 分 析
周期 加 载 单 调加 载
从 P .2 LB 0的应 力 变形 图及 滞 回曲 线 可 以 看 出: 平齐 端板 连接滞 回曲线 呈 “ S形 ” 不饱 满 , 反 , 发 生 了较 严重 的捏 缩 , 曲线包 裹面 积较 小 , 能 能 耗 力 不理想 , 该 连接 具 有 较 好 的 延性 。滞 回 曲线 但 呈 “ S形 ” 是 因 为平 齐 端 板 刚 度 低 , 点 进 入 反 , 节 塑性后 端 板变形 大螺 栓 很 快 进 入 塑性 阶段 , 端 使 板与柱 翼缘 问 隙不 断 增 大 , 向加 载 时变 形 又 不 反 能及 时恢复 , 而要先 闭合 此缝隙 。平齐端 板连接转 角主要来源于端 板与 柱翼缘 之 间的相对 变形 , 即缝 隙转角 , 而节点域剪切变形较小 , 塑性发展不明显。
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