钢结构半刚性节点概述

四川建筑 第 2 8 卷 4 期 20 08 1 08
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Hale Waihona Puke Baidu
工
程
结
构
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1 3 5 θ M ) + C2 ( K M ) + C4 ( K M) r = C1 ( K 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 - θ r
域的宽度和极限荷载值 。 Bahia等人 ( 1981) 分析了柱翼缘屈服线 机构。 这种塑性分析法可计算连接种某个部位的极限承载力 。
图 1 连接的弯矩 — 转角关系曲线 314 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 。 文献 [ 7 ]详细地说明了如 何在 刚度 矩阵中考虑节点的 半刚性性能 ,编制了有限元程序 。一些大 型的通用 有限元程
在历次地震 灾害 中 , 70%以上的钢结构 破坏都发 生在节 点连接
[2 ]
。钢结构的变形性能主要取决于节 点的连接 ,设计
施工与制作各个 环节 对此均 有影 响 。梁柱 连接 的发展 过程 为 : 普通螺栓连接 - 铆钉 连接 - 焊 接连 接 - 高强螺 栓连 接 。 高强螺栓在刚 度 、 抗 疲劳 、 施 工等方 面有 许多 优点 , 从 20 世 纪 60 年代 开始取 代铆钉 连接 , 目前最 常用的 连接方式 是焊 接连接和高强螺 栓连 接 。
( 1)线性模型 : 简单的 线性模 型有三 种 (如 图 2 所 示 ) 。 单刚度线性模型 是采 用初 始连接刚度 R k 来 代表全部 加载范 i
[ 6]
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 - θ r 曲 线斜率来代表的连接刚度 , 就可能 为负值 , 与实际不符 。
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工 程 结 构
钢 结 构 半 刚 性 节 点 概 述
赵玉霞 , 谭胜初
(西南交通大学土木工程学院 , 四川成都 610031)
【 摘 要】 阐述了钢结构的优越 性及发展 现状 , 并就其 发展中 存在的 主要问 题 — — — 节点设 计进行 了分 析 ,对几个国家规范有关节点刚度的分类进行了介绍 ,阐述了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 ; 节点研究方法 【 中图分类号 】 T U39212 【 文献标识码 】 A 有不同程度 的相 对转 动 , 即 梁 柱之 间的 连 接刚 度总 是 有限 的 。实验证明 [ 3]实际的梁柱节点总是介于刚接和铰 接之 间 。 各国规范 对梁 柱 刚性 连接 的 规定 有 : 欧洲 规 范 EURO 2
脆性破坏 ,而且钢材用量大 ,人为造成钢结构造价偏高 。
刚性 ( sem i - rigid) ; 铰 接 ( pinned) 。美 国 容 许 应 力 设 计
(AS D ) 规 范 ( A IS C 11989 ) 同 上 ; 美 国 荷 载 抗 力 系 数 设 计 (LR F D ) 规 范 ( A ISC11994 ) 分 为 两 种 : 完 全 约 束 , FR 型 ( fully restra ined) ; 部分约束 , PR 型 (pa rtially restra ined) 。 PR
0; C j 和 Dk 为由线性回归分析求 得的 曲线 拟合常数 。 313 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
m n
围的连接特性 ,当弯矩超过连接使用极 限后 , 这种模型 失效 。 双线性模型在某 一转折弯 矩处 用一条 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 近非 线性的 M - θ r 曲线 。这些线性模型使用方便 ,但由 于不够精 确且转折点处刚 度突 变 ,故难于应用 。
COD3 ( 1992 ) 规定梁柱节点分为三 种类型 : 刚性 ( rigid) ; 半
1 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 、 施工 速度 快、 构件 截面 小 、 结 构净 空和 跨度 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 。 自 1885 年美国兴 建第 一座 高层 钢结 构建 筑以 来 , 随着 钢结构设计技术 的发 展 ,大量的高层钢 结构在美 国建成 。我 国自 20 世纪 80 年代中期开始建造 高层钢结构 ,主要分 布于 上海 、 北京 、 深圳 。近几年来 ,我国的高层 钢结构又 形成了新 的建筑高潮 ,钢结构和钢筋混凝土组合结 构逐渐成 为世界上 高层和超高层建 筑中 主要的 结构 类型 。钢 结构 将成为 超高 层建筑中无可争 议的 主要 结构类型 [1 ] 。 虽然钢结构在 世界各地得 到了广泛的 应用 ,但 由于我国 的国产化问题 削弱了高层 钢结构的优 势 。当然近十年 来 ,我 国在高层钢结构成 套技术方面 有了长足 的进步 ,其 中包括钢 材品种与规格 、 设计理论和 规范 、 构 件加工与制 作 、 施 工技术 与管理等方面 。我国高层建筑钢结构发展的主要问题在于国 产化问题 、 综合经济问题和结构 设计问题 ,而设计已严重制约 了高层钢结构的发展 。 不合理的节点设计不仅会造成节点的
( 3) B 样条模型 : 是将 M - θ r 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 -θ r 特性 , 但需 大量 数据 。
型相当于 ASD 中的半刚性和铰接 。 鉴于此 ,从理论上 对半刚 性节 点的研 究是 很有 必要 的 。 在工程应用上 ,半刚性节点对抗震设计 是很有利的 。在经济 方面 ,层数不超过 10 ～15 层的框架中 ,依靠 梁柱组成的 刚架 体系来提供对水 平力的 抵抗 是经 济的 。不 论竖 向荷载 作用 下是否承受弯矩 ,连接做成半刚性足够 。故对半刚 性节点的 研究有很高的经 济价值 。目前 对半刚 性节 点的 研究主 要有 对节点本身性能的研 究和 节点 对结构的影响两类 。 半刚性连接的节点形式有 : ( 1)单腹板角钢连 接 。 这类连 接弯矩 - 转角刚度很小 ,柔性很大 。 ( 2)双腹 板角 钢连 接 。 这 类连接能承受的弯矩是梁在 工作荷载下全固 端弯矩的 20% , 随着梁高的增大 ,其值还会更大 。 ( 3 )矮端板 连接 。这类连接 的性能与双腹板角钢连 接相似 。 ( 4 )顶底角 钢连接 。根据实 验结果这类连接可以抵抗一 些梁端弯矩 。 ( 5)带双 腹板角钢 的顶底角钢连接 。这类连 接在 A ISC - ASD 规 范视为半刚性 。 (6 )延伸或齐平端板连接 。此类连接刚度较大 。 (7 )短 T型钢 连接 。由上 、 下翼 缘处的 两个 短 T型 钢 ,用 螺栓与 梁和 柱相 连 。此类连接被认为是最刚劲的半刚性连接之一 。 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 递 。 通常用弯矩和连接的 转角变 形关 系即 M - θ r 来表 示 。各种 半刚性连接的 M - θ 关系见图 1 。 r
M=
∑C ( 1 - e
j j =1
- |θ| /2 ja
) +M 0 +
D ∑
k=
r
( θ θ r - θ k )H [ r -θ k ]
1
式中 , M 0 为曲线拟合的连接弯矩初始值 ; R k 为曲线线性 部分 的定 值参 数 ; θ k 为 曲线 线性 部分 的起 始转 角 ; H [θ] 为 Heaviside阶梯函数 (当 θ≥ 0 时取值为 1, 当 θ≤ 0时取值为
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 : Gove rdhan 数据库 ; Nethe rcot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 。周学军等 人 [ 4]做了缩尺的带双腹板角钢的顶底角钢连接的框架的静力 试验 ,得出荷载变形曲线 ,得出影响钢框架承载力的几种因素。 陈宏等人 [5]对端板外伸与平齐式的两种螺栓连接类型的半刚性 节点性能作了研究 ,滞回性能的实验也有一些 。 郭兵等人 做 了 6榀缩尺的半刚性连接框架的循环加载及动力特性试验 。其 中焊接连接 、 端板连接、 角钢连接各两榀 ,得出一些结论。 312 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 M -θ r 数据拟合出对 应于某 种连接 构造的 M - θ r 关 系的 简单表达式 。 常用的 M - θ r 模型有以下几种 。
( 4) 幂函 数模 型 : Kishi 和 C hen ( 1990) 提出一 个幂函数
模型 , 其形式为 : θ r =
M 1 /n Rk i [ 1 - (M /M u ) ]
式中 , R k i 为初始连 接刚 度 ; M u 为连 接 的极 限弯 矩 承载 力 ; n为 M - θ r 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 :
3 研究半刚性连接的方法
311 通过实验建 立数 据库 [收稿日期 ] 2007 - 08 - 01 [作者简介 ]赵玉霞 (1981 ～) , 在读硕 士研究 生 ,研 究方 向 : 结构优化设计与计算机辅助设计 。
2 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 矩的全部 (或大部分 ) 从梁传到柱 ,两柱之间的夹角不 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
序如 ANSYS, ABAQUS 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 : 建筑工业出版社 , 2000. [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 ] Nki shi, W F Chen. Database of steel beam column connection s [D ]. S tructu re Engineer Report, Purdue U niversity, 1986. [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. [7 ] 郭兵 , 陈爱国 . 半刚性钢框架的 有限元分析及性 能探讨 [J ]. 建 筑结构学报 , 2001 ( 10 ) : 10 - 11.