浅谈钢结构半刚性节点
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2011 年第 06 期 / 总第 248 期
H[θ]为 Heaviside 阶梯函数 (当 θ＝≥ 0 时取值为 l，当 θ＝≤0 时取值为 0； Cj 和 Dk 为曲线性回归分析求得的曲线 拟合常数。 （三 ） 塑性分析法 为了正确地掌握半刚性连接的性 能， 在实验结果的基础上应该进行理论 分析。在进行节点的塑性分析计算中， 人们常采用简单塑性分析法和高精度 塑 性 分 析 法 来 分 别 进 行 。 1997 年 ， Padher 等人用塑性铰线法对端板 、 T型 钢和柱子翼缘受连接螺栓拉力作用时 的塑性铰线分布情况进行了研究， 获得 了受影响区域的宽度和极限荷载值 。 Bahia 等人 (1981)分析了柱翼缘屈服线 这种塑性分析法可计算连接种某 机构。 个部位的极限承载力。 （四 ） 有限单元法 有限单元法是当前常用的分析半 刚性节点性能的一种方法。 一些大型的 ABAQUS 通 用 有 限 元 程 序 如 ANSYS， 等也被广泛的用来进行对半刚性节点 性能的研究。 参考文献 [1]陈绍蕃.钢结构[M].北京： 建筑工 2000． 业出版社， [2]顾正维.钢结构半刚性连接的非 线性分析[D].杭州： 浙江大学， 2003． [3] Nkishi， W F Chen.Database.of steel beam column connections [D].Structure Engineer 1986． Purdue R eport， University，
k = 1
式中， M0 为曲线拟合的连接弯矩 初始值； Rk 风为曲线线性部分的定值 参数； θk 为曲线线性部分的起始转角；
117
Βιβλιοθήκη Baidu
式中， Rki 为 初 始 连 接 刚 度 ;Mu 为 连接的极限度矩承载力 ;n 为 M- θr 曲 线的形状参数。 5.指数函数模型： Kishi 和 Chen （1986） 作的指数模型形式为：
m
M= Σ C j (1- e
j = 1 n
- θ
2ja
)+
M0+ Σ Dr ( θr- θk )H ( θr- θr )
FAZHAN · XUESHUZONGHENG
学 术 纵 横
浅谈钢结构半刚性节点
□ 张来彩 摘 要：阐述了钢结构的优越性 对应于某种连接构造的 M- θr 关系的 简单表达式。 常用 M- θr 的模型有以下几种。 1.线性模型： 简单的线性模型有三 种。 单刚度线性模型是采用初始连接刚 度来代表全部加载范围的连接特性， 当 弯矩超过连接使用极限后， 这种模型失 双线性模型在某一转折弯矩处用一 效。 一、 钢结构发展现状 钢结构是今后高层建筑中具有广 泛发展前景的结构类型， 随着城市人口 的日益密集， 高速电梯的完善， 城市竖 向交通效率的大大提高， 世界许多大城 市的建筑正向高空发展。 钢结构具有重 量轻 、 强度高 、 延性大 、 抗震性能好 、 施 构件截面小 、 结构净空和跨 工速度快 、 度大 、 综合经济指标好等优点， 更适合 于地震区和软土地基上的高层建筑。 二、 节点刚度的分类 传统钢结构理论把梁柱连接分为 刚接和铰接两种。 刚接是指梁柱之间的 斜率是完全连续的， 同时重力弯矩的全 两柱之间的 部 (或大部分 )从梁传到柱， 夹角不变； 铰接是指梁与柱之间不传递 弯矩。 而实际的钢框架连接在梁柱之间 总有不同程度的相对转动， 即梁柱之间 实验证明实际 的连接刚度总是有限的。 的梁柱节点总是介于刚接和铰接之间。 梁柱节点是连接梁与柱，传递包括轴 力、 剪力 、 弯矩 、 扭矩在内的一组广义 力，目前的研究主要集中于弯矩的传 通常用弯矩和连接的转角变形关系 递。 即 M- θr 来表示。 三、 研究半刚性连接的方法 （一 ） 通过实验建立数据库 为了实际应用时方便，一些学者 通过大量的实验做了一些数据库， 实际 应用时需把这些数据与推荐的用于钢 框架分析的各种选用计算模型进行比 较 。 有一些比较成熟的数据库，如： Goverdhan 数 据 库 ； Nethercot 数 据 库 ； Kishi 和 Chen 数据库。 国内近年对半刚 性节点的实验研究也比较多。 （二 ） 曲线拟合法 对于连接的模拟，现在常用的方 法是通过大量实验得出的数据拟合出
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[4] 周学军， 张祥龙 . 半刚性连接钢 框架稳定极限承载力试验研究 [J]. 济南 大学学报， 2005(3)： 20- 21． [5]陈宏， 施龙杰， 王元清.钢结构半 刚性节点的数值模拟与实验分析 [J]． 中国矿业大学学报， 2005(1)： 30- 31． [6]郭兵， 郭彦林， 柳峰.焊接及螺栓 连接钢框架的循环加载实验研究 [J]. 建 筑结构学报， 2006(4)： 20- 21． （作者单位：甘肃省建筑职业技术 学院 ）
及发展现状， 并就其发展中存在的主要 —连接节点进行了分析， 阐述了 问题—— 研究半刚性连接的方法， 为其进一步的 研究提供了理论基础。 关键词：钢结构 半刚性节点 节 点刚度 研究方法
条更平坦的线来代替弯矩—转角线的 初斜率。 折线模型是用一组直线段来逼 这些线性模型 近非线性的 M- θr 曲线。 使用方便， 但由于不够精确且转折点处 刚度突变， 故难于应用。 2.多项式模型： 是 M- θr 关系用一 个奇次方的多项式来表达。 其形式为：
1 3 5 θ＝C（ ） +C（ ） +C（ ） 1 KM 2 KM 4 KM
式中， K 为取决于连接类型及几何 尺寸的标准化参数； C1、 C2 和 C3， 为曲线 拟合常数。这个模型能很好地代表M- θr 特性。但由于多项式自身的性质， 在某 一范围内它会达到并通过峰值点， 用 M- θr 曲线斜率来代表的连接刚度， 就 可能为负值， 与实际不符。 3. 样条模型：是将 M- θr 实验数 据分成许多小组，每一组跨越 M 的一 个小范围 。 然后用三次 B 样曲线拟和 每组数据， 同时保证交点处各组数据的 一阶和二阶导数是连续的。 这种模型能 有效地回避负刚度问题， 并能极好地表 示非线性的 M- θr 特性， 但需大量数据。 4.幂函数模型： Kishi 和 Chen(1990) 提出一个幂函数模型， 其形式为： θr = M Rki 1- (M/Mu )
H[θ]为 Heaviside 阶梯函数 (当 θ＝≥ 0 时取值为 l，当 θ＝≤0 时取值为 0； Cj 和 Dk 为曲线性回归分析求得的曲线 拟合常数。 （三 ） 塑性分析法 为了正确地掌握半刚性连接的性 能， 在实验结果的基础上应该进行理论 分析。在进行节点的塑性分析计算中， 人们常采用简单塑性分析法和高精度 塑 性 分 析 法 来 分 别 进 行 。 1997 年 ， Padher 等人用塑性铰线法对端板 、 T型 钢和柱子翼缘受连接螺栓拉力作用时 的塑性铰线分布情况进行了研究， 获得 了受影响区域的宽度和极限荷载值 。 Bahia 等人 (1981)分析了柱翼缘屈服线 这种塑性分析法可计算连接种某 机构。 个部位的极限承载力。 （四 ） 有限单元法 有限单元法是当前常用的分析半 刚性节点性能的一种方法。 一些大型的 ABAQUS 通 用 有 限 元 程 序 如 ANSYS， 等也被广泛的用来进行对半刚性节点 性能的研究。 参考文献 [1]陈绍蕃.钢结构[M].北京： 建筑工 2000． 业出版社， [2]顾正维.钢结构半刚性连接的非 线性分析[D].杭州： 浙江大学， 2003． [3] Nkishi， W F Chen.Database.of steel beam column connections [D].Structure Engineer 1986． Purdue R eport， University，
k = 1
式中， M0 为曲线拟合的连接弯矩 初始值； Rk 风为曲线线性部分的定值 参数； θk 为曲线线性部分的起始转角；
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式中， Rki 为 初 始 连 接 刚 度 ;Mu 为 连接的极限度矩承载力 ;n 为 M- θr 曲 线的形状参数。 5.指数函数模型： Kishi 和 Chen （1986） 作的指数模型形式为：
m
M= Σ C j (1- e
j = 1 n
- θ
2ja
)+
M0+ Σ Dr ( θr- θk )H ( θr- θr )
FAZHAN · XUESHUZONGHENG
学 术 纵 横
浅谈钢结构半刚性节点
□ 张来彩 摘 要：阐述了钢结构的优越性 对应于某种连接构造的 M- θr 关系的 简单表达式。 常用 M- θr 的模型有以下几种。 1.线性模型： 简单的线性模型有三 种。 单刚度线性模型是采用初始连接刚 度来代表全部加载范围的连接特性， 当 弯矩超过连接使用极限后， 这种模型失 双线性模型在某一转折弯矩处用一 效。 一、 钢结构发展现状 钢结构是今后高层建筑中具有广 泛发展前景的结构类型， 随着城市人口 的日益密集， 高速电梯的完善， 城市竖 向交通效率的大大提高， 世界许多大城 市的建筑正向高空发展。 钢结构具有重 量轻 、 强度高 、 延性大 、 抗震性能好 、 施 构件截面小 、 结构净空和跨 工速度快 、 度大 、 综合经济指标好等优点， 更适合 于地震区和软土地基上的高层建筑。 二、 节点刚度的分类 传统钢结构理论把梁柱连接分为 刚接和铰接两种。 刚接是指梁柱之间的 斜率是完全连续的， 同时重力弯矩的全 两柱之间的 部 (或大部分 )从梁传到柱， 夹角不变； 铰接是指梁与柱之间不传递 弯矩。 而实际的钢框架连接在梁柱之间 总有不同程度的相对转动， 即梁柱之间 实验证明实际 的连接刚度总是有限的。 的梁柱节点总是介于刚接和铰接之间。 梁柱节点是连接梁与柱，传递包括轴 力、 剪力 、 弯矩 、 扭矩在内的一组广义 力，目前的研究主要集中于弯矩的传 通常用弯矩和连接的转角变形关系 递。 即 M- θr 来表示。 三、 研究半刚性连接的方法 （一 ） 通过实验建立数据库 为了实际应用时方便，一些学者 通过大量的实验做了一些数据库， 实际 应用时需把这些数据与推荐的用于钢 框架分析的各种选用计算模型进行比 较 。 有一些比较成熟的数据库，如： Goverdhan 数 据 库 ； Nethercot 数 据 库 ； Kishi 和 Chen 数据库。 国内近年对半刚 性节点的实验研究也比较多。 （二 ） 曲线拟合法 对于连接的模拟，现在常用的方 法是通过大量实验得出的数据拟合出
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[4] 周学军， 张祥龙 . 半刚性连接钢 框架稳定极限承载力试验研究 [J]. 济南 大学学报， 2005(3)： 20- 21． [5]陈宏， 施龙杰， 王元清.钢结构半 刚性节点的数值模拟与实验分析 [J]． 中国矿业大学学报， 2005(1)： 30- 31． [6]郭兵， 郭彦林， 柳峰.焊接及螺栓 连接钢框架的循环加载实验研究 [J]. 建 筑结构学报， 2006(4)： 20- 21． （作者单位：甘肃省建筑职业技术 学院 ）
及发展现状， 并就其发展中存在的主要 —连接节点进行了分析， 阐述了 问题—— 研究半刚性连接的方法， 为其进一步的 研究提供了理论基础。 关键词：钢结构 半刚性节点 节 点刚度 研究方法
条更平坦的线来代替弯矩—转角线的 初斜率。 折线模型是用一组直线段来逼 这些线性模型 近非线性的 M- θr 曲线。 使用方便， 但由于不够精确且转折点处 刚度突变， 故难于应用。 2.多项式模型： 是 M- θr 关系用一 个奇次方的多项式来表达。 其形式为：
1 3 5 θ＝C（ ） +C（ ） +C（ ） 1 KM 2 KM 4 KM
式中， K 为取决于连接类型及几何 尺寸的标准化参数； C1、 C2 和 C3， 为曲线 拟合常数。这个模型能很好地代表M- θr 特性。但由于多项式自身的性质， 在某 一范围内它会达到并通过峰值点， 用 M- θr 曲线斜率来代表的连接刚度， 就 可能为负值， 与实际不符。 3. 样条模型：是将 M- θr 实验数 据分成许多小组，每一组跨越 M 的一 个小范围 。 然后用三次 B 样曲线拟和 每组数据， 同时保证交点处各组数据的 一阶和二阶导数是连续的。 这种模型能 有效地回避负刚度问题， 并能极好地表 示非线性的 M- θr 特性， 但需大量数据。 4.幂函数模型： Kishi 和 Chen(1990) 提出一个幂函数模型， 其形式为： θr = M Rki 1- (M/Mu )