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浅析半刚性连接钢框架结构的研究与设计
论文关键词:半刚性连接钢框架 连接模型 设计方法
论文摘要:我国多层钢框架结构中已在中开始采用,但半刚性节点规范却没有相关规定,本文对半刚性连接的特性和国外常用设计方法加以探讨。
在传统的钢框架分析和设计中,一般都假定梁和柱的连接是完全刚接或者理想铰接。完全刚接就意味着相邻杆件间的斜率完全是连续的,当框架发生变形时,梁柱之间没有相对转动,之间的夹角保持不变;而理想铰接的假定则意味着梁的特性像一个简支构件,梁和柱之间不能传递弯矩,将独立地发生转动。虽然上述理想化的假定使分析和设计过程大大简化,但是当连接的刚性程度处于完全刚接和理想铰接之间的中间状态时,这种假定所做出的预测可能是不实际的或者是不正确。事实上,正如试验所证实的,实践中使用的全部连接所具有的刚度,没有一个是完全刚接或者理想铰接的,都是处于二者之间,即所谓的半刚性连接。按照完全刚接则夸大了节点约束的作用偏不安全;按理想铰接分析则忽略了节点约束的有利作用。因此,有必要在设计和分析中考虑节点半刚性连接的影响。
1.连接模型
半刚性连接承载性能好,构造简单,施工快捷,质量比较容易得到保证,在实际工程中已经得到广泛应用。目前,常用的半刚性连接的形式主要有:外伸式P齐平式端板连接;腹板单角钢P单板连接;腹板双角钢连接;矮端板连接;顶、底角钢连接;腹板带双角钢的顶、底角钢连接;短T型钢连接见图1。从图1可以看出:
[1]
1)所有连接表现出来的M -θr 特性,均处在理想铰接条件(水平轴)和完全刚性条件(垂直轴)之间。
2)弯矩相同时,连接的柔性愈大,θr 值愈大。反之,对于指定的θr 值,柔性大的连接在相邻杆之间传递的弯矩就要小一些。
3)连接所能传递的最大弯矩(极限弯矩承载力)在较为柔性的连接中要降低。
4)半刚性连接的M -θr 关系在全部实际加载范围内一般是非线性的。
2.半刚性钢框架分析设计
1) 无侧移框架
在梁的设计中,考虑连接对梁提供的约束作用,假定为线弹性,那么只需要在简支梁计算的基础上,在梁的两端再施加与连接的转动刚度相应的约束弯矩,运用结构力学叠加原理就可以计算出整个梁的弯矩分布。Nethercot 等人[9 ]对下列三种类型连接进行研究之后,对于梁端约束弯矩的取值,提出以下建议:腹板双角钢连接取8%Mp;齐平式端板连接取45%Mp;外伸式端板连接取60%Mp,其中Mp为梁的塑性弯矩承载力。完成梁的设计后,柱端弯矩可由梁端弯矩总和按节点处上柱和下柱的刚度分配求得。
2) 有侧移半刚性框架
最基本的设计方法是Disque 方法,它假定连接设计在乘以系数的重力荷载作用下将会屈服。一旦连接屈服,则假定达到极限弯矩承载力Mu,因此连接所承受的弯矩就不再增加。框架受风荷载发生侧移时,迎风面的连接弯矩将会反向,这时,假定连接卸载,其卸载刚度等于初始刚度Rki。背风面的连接则继续受力,因为风载引起的弯矩方向与重力荷载引起的相同,但是其刚度假定为零(因为施加重力荷载后,假定已经达到Mu)。按照简支梁对梁进行设计,由于忽略了梁端约束的影响,梁的设计通常过于保守。在柱的设计中,假定反弯点在各柱高度中点,框架侧移时,只有迎风面连接将风荷载弯矩传到柱身,背风柱不抵抗风荷载剪力。
3.半钢性连接中存在的问题
1)在进行半刚性钢框架的设计中,关键问题是节点的转动刚度怎样取值。对于无侧移框架,一般不宜采用初始转动刚度,因为连接的非线性特性,在加载过程中,节点的转动变形会使转动刚度降低,,可以取连接的弯矩-转角曲线与梁线交点处的割线刚度。在Disque方法中,节点的加载刚度为零,卸载刚度为初始转动刚度。而在节点单元法中,则需要考虑连接的弯矩-转角特性曲线。另外,现有的一些研究节点半刚性对框架整体特性影响的文献,都回避了节点转动刚度怎样取值这一重要问题。
2)节点的半刚性特性对框架柱计算长度取值具有很大影响。框架柱的计算度系数与梁柱线刚度比ib/ic有关,例如对于无侧移钢框架,若梁对柱无转动约束(接),则计算长度系数μ为1;若梁刚度很大,μ接近015;若梁、柱采用半刚性节点连接,为部分约束,μ介于015 和1 之间,柱的计算长度与节点的刚度比有关。所以,半刚性节点对柱的计算长度取值的具体影响以及相应的构件和框架的整体稳定问题都需要一步深入研究。
3)半刚性框架的抗震设计问题。美国的钢结构抗震设计规范针对不同抗震级的有侧移抗弯框架,对节点的转动能力和抗弯承载力提出了不同的要求[6]。目前,对多层半刚性钢框架地震效应的研究表明,连接的柔性将使框架侧移增加、永久变形恶化并改变结构弯矩分布,另外,还影响框架的固有频率、周期、阻尼等动力特性。
4.结束语
在钢结构中采用半刚性连接,和传统的需要大量焊接的刚性连接相比制作和安装简易而迅速,并且节约用钢量,降低工程的造价。尽管半刚性连接存在着种种优势,但是目前难以推广应用,在我国焊接质量参差不齐,刚性节点很多时候达不到设计要求,存在许多工程隐患,提倡采用半刚性设计很有必要,钢结构设计规范(GB50017)对此作了一点原则性的规定,但是同欧美等国的水平相比还存在一定差距,有必要在这方面进行系统而深入的研究,结合我国的实际情况制定出相应的半刚性设计方法,在规范中加以体现。
参考文献:
[1]陈绍蕃.钢结构设计原理[M].北京:科学出版社,2001.
[2]陈惠发,周绥平.钢框架稳定设计[M].上海:世界图书出版社.2000
[2]
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