梁柱端板螺栓连接节点极限承载力抗震

梁柱端板螺栓连接节点极限承载力

抗震设计方法

陈小峰郝际平

（中国建筑西南设计研究院有限公司)（西安建筑科技大学土木工程学院）

内容

一、引言

二、端板连接的破坏模式

三、极限承载力抗震设计准则

四、预期的极限设计弯矩

五、螺栓抗拉，抗剪计算

六、端板与柱翼缘的强度计算

七、节点域的抗剪计算

八、结语

一、引言

1994年美国北岭地震(Northridge earthquake)和1995年日本阪神地震(Hyogoken-Nanbu Earthquake)中，有200多个钢框架因梁柱焊接节点脆断而破坏，而采用端板连接的结构的破坏程度明显轻微，这两次地震充分的说明端板连接具有良好的抗震性能。下图所示的三种外伸端板高强螺栓连接构造可考虑用于多高层钢框架结构的抗震设计中。

三种外伸端板高强螺栓连接构造

二、破坏模式

端板连接的破坏形式取决于各组件的相对强弱关系，因此具有多样性。试验中出现的各种破坏形式：

◆梁的弯曲屈服

◆端板的弯曲屈服

◆梁柱节点域的剪切屈服

◆高强螺栓的脆性拉断

◆高强螺栓的剪切破坏

◆各种焊缝的破坏

试验破坏照片

梁端板节点域

对于中薄端板，节点破坏为脆性破坏，破坏模式为端板的屈服和随后螺栓的突然脆断，端板的屈服可以提供中等的耗能能力，然而它会导致螺栓中较大的撬力，从而导致螺栓在拉力和弯矩作用下过早的脆断；对厚端板，梁翼缘和腹板的局部屈曲破坏是理想的屈服破坏模式，能提供较大的延性和耗能能力，同时也满足“强节点弱构件”的抗震设计准则。

三、极限承载力抗震设计准则

抗震规范(GB50011-2001)中规定“构件连接应按地震组合内力进行弹性设计并进行极限承载力验算”的计算原则，端板连接中的螺栓、板件需进行弹性设计和极限承载力设计。

本文对端板螺栓连接节点只进行极限承载力设计，弹性设计按一般方法设计。本文建议的端板螺栓连接的抗震极限承载力设计准则和一般刚性节点相同，即为梁截面出现塑性铰时，端板和螺栓未破坏。满足“强柱，强节点，弱构件”的抗震设计准则。

四、预期的极限设计弯矩（极限设计弯矩的估算）

pb pb yb Pb yb

M C R W f = 1.2

2yb ub

pb yb f f C f +=≤设计时可取1.2。

C pb 为连接承载力系数，该系数考虑应变强化、局部约束、额外加强等因素，对大多数连接，可用下式确定：

确定了梁的预期塑性铰弯矩和塑性铰的位置，连接中各个构件的强度要求就可以确定，无加劲肋端板梁柱节点中梁的塑性铰位置一般取d/2和3b bf的较小值。端板梁柱连接节点的关键截面在柱面，对于无加劲肋端板梁柱节点，柱面的弯矩为预期的梁截面塑性铰弯矩和塑性铰处的剪力所产生的附加弯矩之和，见图2。

柱面弯矩的计算

22pb pb gravity

M V V l e

=

+-f pb pb M M V e

=+

五、螺栓抗拉，抗剪计算

Kennedy模型中板的三个阶段

由于本文的设计准则为强柱弱梁，强节点弱构件的抗震设计准则，非弹性行为主要集中在梁上，所以按照本准则，端板和柱翼缘为“厚”板，这就确保了端板和柱翼缘仍处于弹性阶段，所以螺栓中不产生撬力。

在弯矩作用下各螺栓拉力的分布情况和端板的柔性有密切关系，试验表明当螺栓有预拉力时，内外螺栓的拉力差别不大，我国对高强螺栓都施加预拉力，且端板厚度一般大于螺栓直径，可以把内外螺栓看成受力相等，旋转中心可认为位于梁受压翼缘的厚度中央处。

012()t f

P h h M +≥210.94

t yt t

P f d π=⨯⨯010120.70.9()

()

f

f t yt yt M M d f h h f h h π≥

=

++，

()

min 0.58,pb f et ut cut V n A f d t f ≤∑

六、端板和柱翼缘的强度计算

端板的塑性铰线

由于端板连接的受力特性非常复杂，所以从很早开始，就有一些研究者努力探寻用简化的力学模型和理论分析方法来研究端板连接，目前最常用的是塑性铰线理论

()

1

N

i pp nx nx pp ny ny n W m L m L θθ==+∑根据端板的塑性铰线，可得内力虚功：

单位虚位移下外力虚功为：

1e pp W M h ⎛⎫

= ⎪

⎝⎭

()2

10111011112

22

p pp yp p f f f b M f t h h h e s e s e a ⎡⎤⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎡⎤⎢

⎥=++-++⎢⎥ ⎪ ⎪⎣⎦ ⎪ ⎪⎢⎥⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎣

⎦

1

2

p p s b a =1f e s

>1f e s

=利用内力虚功等于外力虚功，可计算出端板的塑性抗弯强度：如果

取

2

pp yp p pp M f t Y =将上式的屈服强度用设计强度代替，得端板的厚度

应满足：

f p p PP

M t f Y ≥

()10111

011112

22 p pp f f f b Y h h h e s e s e a ⎡⎤⎛⎫

⎛⎫⎡⎤=++-++⎢⎥ ⎪

⎪⎣

⎦ ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦

令