摘要:我國多層鋼框架結構中已在建筑中開始采用,但半剛性節點規范卻沒有相關規定,本文對半剛性連接的特性和國外常用設計方法加以探討。
在傳統的鋼框架分析和設計中,一般都假定梁和柱的連接是完全剛接或者理想鉸接。完全剛接就意味著相鄰桿件間的斜率完全是連續的,當框架發生變形時,梁柱之間沒有相對轉動,之間的夾角保持不變;而理想鉸接的假定則意味著梁的特性像一個簡支構件,梁和柱之間不能傳遞彎矩,將獨立地發生轉動。雖然上述理想化的假定使分析和設計過程大大簡化,但是當連接的剛性程度處于完全剛接和理想鉸接之間的中間狀態時,這種假定所做出的預測可能是不實際的或者是不正確。事實上,正如試驗所證實的,實踐中使用的全部連接所具有的剛度,沒有一個是完全剛接或者理想鉸接的,都是處于二者之間,即所謂的半剛性連接。按照完全剛接則夸大了節點約束的作用偏不安全;按理想鉸接分析則忽略了節點約束的有利作用。因此,有必要在設計和分析中考慮節點半剛性連接的影響。
1.連接模型
半剛性連接承載性能好,構造簡單,施工快捷,質量比較容易得到保證,在實際工程中已經得到廣泛應用。目前,常用的半剛性連接的形式主要有:外伸式P齊平式端板連接;腹板單角鋼P單板連接;腹板雙角鋼連接;矮端板連接;頂、底角鋼連接;腹板帶雙角鋼的頂、底角鋼連接;短T型鋼連接見圖1。從圖1可以看出:
1)所有連接表現出來的M -θr 特性,均處在理想鉸接條件(水平軸)和完全剛性條件(垂直軸)之間。
2)彎矩相同時,連接的柔性愈大,θr 值愈大。反之,對于指定的θr 值,柔性大的連接在相鄰桿之間傳遞的彎矩就要小一些。
3)連接所能傳遞的最大彎矩(極限彎矩承載力)在較為柔性的連接中要降低。
4)半剛性連接的M -θr 關系在全部實際加載范圍內一般是非線性的。
2.半剛性鋼框架分析設計
1) 無側移框架
在梁的設計中,考慮連接對梁提供的約束作用,假定材料為線彈性,那么只需要在簡支梁計算的基礎上,在梁的兩端再施加與連接的轉動剛度相應的約束彎矩,運用結構力學疊加原理就可以計算出整個梁的彎矩分布。Nethercot 等人[9 ]對下列三種類型連接進行研究之后,對于梁端約束彎矩的取值,提出以下建議:腹板雙角鋼連接取8%Mp;齊平式端板連接取45%Mp;外伸式端板連接取60%Mp,其中Mp為梁的塑性彎矩承載力。完成梁的設計后,柱端彎矩可由梁端彎矩總和按節點處上柱和下柱的剛度分配求得。
2) 有側移半剛性框架
最基本的設計方法是Disque 方法,它假定連接設計在乘以系數的重力荷載作用下將會屈服。一旦連接屈服,則假定達到極限彎矩承載力Mu,因此連接所承受的彎矩就不再增加。框架受風荷載發生側移時,迎風面的連接彎矩將會反向,這時,假定連接卸載,其卸載剛度等于初始剛度Rki。背風面的連接則繼續受力,因為風載引起的彎矩方向與重力荷載引起的相同,但是其剛度假定為零(因為施加重力荷載后,假定已經達到Mu)。按照簡支梁對梁進行設計,由于忽略了梁端約束的影響,梁的設計通常過于保守。在柱的設計中,假定反彎點在各柱高度中點,框架側移時,只有迎風面連接將風荷載彎矩傳到柱身,背風柱不抵抗風荷載剪力。
3.半鋼性連接中存在的問題
1)在進行半剛性鋼框架的設計中,關鍵問題是節點的轉動剛度怎樣取值。對于無側移框架,一般不宜采用初始轉動剛度,因為連接的非線性特性,在加載過程中,節點的轉動變形會使轉動剛度降低,,可以取連接的彎矩-轉角曲線與梁線交點處的割線剛度。在Disque方法中,節點的加載剛度為零,卸載剛度為初始轉動剛度。而在節點單元法中,則需要考慮連接的彎矩-轉角特性曲線。另外,現有的一些研究節點半剛性對框架整體特性影響的文獻,都回避了節點轉動剛度怎樣取值這一重要問題。
2)節點的半剛性特性對框架柱計算長度取值具有很大影響。框架柱的計算度系數與梁柱線剛度比ib/ic有關,例如對于無側移鋼框架,若梁對柱無轉動約束(接),則計算長度系數μ為1;若梁剛度很大,μ接近015;若梁、柱采用半剛性節點連接,為部分約束,μ介于015 和1 之間,柱的計算長度與節點的剛度比有關。所以,半剛性節點對柱的計算長度取值的具體影響以及相應的構件和框架的整體穩定問題都需要一步深入研究。
3)半剛性框架的抗震設計問題。美國的鋼結構抗震設計規范針對不同抗震級的有側移抗彎框架,對節點的轉動能力和抗彎承載力提出了不同的要求[6]。目前,對多層半剛性鋼框架地震效應的研究表明,連接的柔性將使框架側移增加、永久變形惡化并改變結構彎矩分布,另外,還影響框架的固有頻率、周期、阻尼等動力特性。
4.結束語
在鋼結構建筑中采用半剛性連接,和傳統的需要大量焊接的剛性連接相比制作和安裝簡易而迅速,并且節約用鋼量,降低工程的造價。盡管半剛性連接存在著種種優勢,但是目前難以推廣應用,在我國焊接質量參差不齊,剛性節點很多時候達不到設計要求,存在許多工程隱患,提倡采用半剛性設計很有必要,鋼結構設計規范(GB50017)對此作了一點原則性的規定,但是同歐美等國的水平相比還存在一定差距,有必要在這方面進行系統而深入的研究,結合我國的實際情況制定出相應的半剛性設計方法,在規范中加以體現。
參考文獻:
陳紹蕃.鋼結構設計原理[M].北京:科學出版社,2001.
陳惠發,周綏平.鋼框架穩定設計[M].上海:世界圖書出版社.2000
