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淺析半剛性連接鋼框架結構的研究與設計
論文關鍵詞:半剛性連接鋼框架 連接模型 設計方法
論文摘要:我國多層鋼框架結構中已在中開始采用,但半剛性節(jié)點規(guī)范卻沒有相關規(guī)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(tǒng)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(xù)的,當框架發(fā)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(fā)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(tài)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(jié)點約束的作用偏不安全;按理想鉸接分析則忽略了節(jié)點約束的有利作用。因此,有必要在設計和分析中考慮節(jié)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(zhì)量比較容易得到保證,在實際工程中已經(jīng)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]
1)所有連接表現(xiàn)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(nèi)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(jié)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(shù)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�？蚣苁茱L荷載發(fā)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(xù)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(jīng)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(jié)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(jié)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(jié)點的加載剛度為零,卸載剛度為初始轉動剛度。而在節(jié)點單元法中,則需要考慮連接的彎矩-轉角特性曲線。另外,現(xiàn)有的一些研究節(jié)點半剛性對框架整體特性影響的文獻,都回避了節(jié)點轉動剛度怎樣取值這一重要問題。
2)節(jié)點的半剛性特性對框架柱計算長度取值具有很大影響�？蚣苤挠嬎愣认禂�(shù)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(shù)μ為1;若梁剛度很大,μ接近015;若梁、柱采用半剛性節(jié)點連接,為部分約束,μ介于015 和1 之間,柱的計算長度與節(jié)點的剛度比有關。所以,半剛性節(jié)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(wěn)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(guī)范針對不同抗震級的有側移抗彎框架,對節(jié)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
在鋼結構中采用半剛性連接,和傳統(tǒng)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(jié)約用鋼量,降低工程的造價。盡管半剛性連接存在著種種優(yōu)勢,但是目前難以推廣應用,在我國焊接質(zhì)量參差不齊,剛性節(jié)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(guī)范(GB50017)對此作了一點原則性的規(guī)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(tǒng)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(guī)范中加以體現(xiàn)。
參考文獻:
[1]陳紹蕃.鋼結構設計原理[M].北京:科學出版社,2001.
[2]陳惠發(fā),周綏平.鋼框架穩(wěn)定設計[M].上海:世界圖書出版社.2000
[2]
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