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淺析半剛性連接鋼框架結(jié)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)
論文關(guān)鍵詞:半剛性連接鋼框架 連接模型 設(shè)計(jì)方法
論文摘要:我國(guó)多層鋼框架結(jié)構(gòu)中已在中開(kāi)始采用,但半剛性節(jié)點(diǎn)規(guī)范卻沒(méi)有相關(guān)規(guī)定,本文對(duì)半剛性連接的特性和國(guó)外常用設(shè)計(jì)方法加以探討。
在傳統(tǒng)的鋼框架分析和設(shè)計(jì)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(dāng)框架發(fā)生變形時(shí),梁柱之間沒(méi)有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),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(gè)簡(jiǎn)支構(gòu)件,梁和柱之間不能傳遞彎矩,將獨(dú)立地發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。雖然上述理想化的假定使分析和設(shè)計(jì)過(guò)程大大簡(jiǎn)化,但是當(dāng)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(shí),這種假定所做出的預(yù)測(cè)可能是不實(shí)際的或者是不正確。事實(shí)上,正如試驗(yàn)所證實(shí)的,實(shí)踐中使用的全部連接所具有的剛度,沒(méi)有一個(gè)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(diǎn)約束的作用偏不安全;按理想鉸接分析則忽略了節(jié)點(diǎn)約束的有利作用。因此,有必要在設(shè)計(jì)和分析中考慮節(jié)點(diǎn)半剛性連接的影響。
1.連接模型
半剛性連接承載性能好,構(gòu)造簡(jiǎn)單,施工快捷,質(zhì)量比較容易得到保證,在實(shí)際工程中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)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(yáng)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(jiàn)圖1。從圖1可以看出:
[1]
1)所有連接表現(xiàn)出來(lái)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(shí),連接的柔性愈大,θr 值愈大。反之,對(duì)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(guān)系在全部實(shí)際加載范圍內(nèi)一般是非線性的。
2.半剛性鋼框架分析設(shè)計(jì)
1) 無(wú)側(cè)移框架
在梁的設(shè)計(jì)中,考慮連接對(duì)梁提供的約束作用,假定為線彈性,那么只需要在簡(jiǎn)支梁計(jì)算的基礎(chǔ)上,在梁的兩端再施加與連接的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度相應(yīng)的約束彎矩,運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)疊加原理就可以計(jì)算出整個(gè)梁的彎矩分布。Nethercot 等人[9 ]對(duì)下列三種類型連接進(jìn)行研究之后,對(duì)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(shè)計(jì)后,柱端彎矩可由梁端彎矩總和按節(jié)點(diǎn)處上柱和下柱的剛度分配求得。
2) 有側(cè)移半剛性框架
最基本的設(shè)計(jì)方法是Disque 方法,它假定連接設(shè)計(jì)在乘以系數(shù)的重力荷載作用下將會(huì)屈服。一旦連接屈服,則假定達(dá)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(fēng)荷載發(fā)生側(cè)移時(shí),迎風(fēng)面的連接彎矩將會(huì)反向,這時(shí),假定連接卸載,其卸載剛度等于初始剛度Rki。背風(fēng)面的連接則繼續(xù)受力,因?yàn)轱L(fēng)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?yàn)槭┘又亓奢d后,假定已經(jīng)達(dá)到Mu)。按照簡(jiǎn)支梁對(duì)梁進(jìn)行設(shè)計(jì),由于忽略了梁端約束的影響,梁的設(shè)計(jì)通常過(guò)于保守。在柱的設(shè)計(jì)中,假定反彎點(diǎn)在各柱高度中點(diǎn),框架側(cè)移時(shí),只有迎風(fēng)面連接將風(fēng)荷載彎矩傳到柱身,背風(fēng)柱不抵抗風(fēng)荷載剪力。
3.半鋼性連接中存在的問(wèn)題
1)在進(jìn)行半剛性鋼框架的設(shè)計(jì)中,關(guān)鍵問(wèn)題是節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度怎樣取值。對(duì)于無(wú)側(cè)移框架,一般不宜采用初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度,因?yàn)檫B接的非線性特性,在加載過(guò)程中,節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)變形會(huì)使轉(zhuǎn)動(dòng)剛度降低,,可以取連接的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線與梁線交點(diǎn)處的割線剛度。在Disque方法中,節(jié)點(diǎn)的加載剛度為零,卸載剛度為初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。而在節(jié)點(diǎn)單元法中,則需要考慮連接的彎矩-轉(zhuǎn)角特性曲線。另外,現(xiàn)有的一些研究節(jié)點(diǎn)半剛性對(duì)框架整體特性影響的文獻(xiàn),都回避了節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度怎樣取值這一重要問(wèn)題。
2)節(jié)點(diǎn)的半剛性特性對(duì)框架柱計(jì)算長(zhǎng)度取值具有很大影響�？蚣苤挠�(jì)算度系數(shù)與梁柱線剛度比ib/ic有關(guān),例如對(duì)于無(wú)側(cè)移鋼框架,若梁對(duì)柱無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)約束(接),則計(jì)算長(zhǎng)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(diǎn)連接,為部分約束,μ介于015 和1 之間,柱的計(jì)算長(zhǎng)度與節(jié)點(diǎn)的剛度比有關(guān)。所以,半剛性節(jié)點(diǎn)對(duì)柱的計(jì)算長(zhǎng)度取值的具體影響以及相應(yīng)的構(gòu)件和框架的整體穩(wěn)定問(wèn)題都需要一步深入研究。
3)半剛性框架的抗震設(shè)計(jì)問(wèn)題。美國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范針對(duì)不同抗震級(jí)的有側(cè)移抗彎框架,對(duì)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)能力和抗彎承載力提出了不同的要求[6]。目前,對(duì)多層半剛性鋼框架地震效應(yīng)的研究表明,連接的柔性將使框架側(cè)移增加、永久變形惡化并改變結(jié)構(gòu)彎矩分布,另外,還影響框架的固有頻率、周期、阻尼等動(dòng)力特性。
4.結(jié)束語(yǔ)
在鋼結(jié)構(gòu)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(jiǎn)易而迅速,并且節(jié)約用鋼量,降低工程的造價(jià)。盡管半剛性連接存在著種種優(yōu)勢(shì),但是目前難以推廣應(yīng)用,在我國(guó)焊接質(zhì)量參差不齊,剛性節(jié)點(diǎn)很多時(shí)候達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,存在許多工程隱患,提倡采用半剛性設(shè)計(jì)很有必要,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017)對(duì)此作了一點(diǎn)原則性的規(guī)定,但是同歐美等國(guó)的水平相比還存在一定差距,有必要在這方面進(jìn)行系統(tǒng)而深入的研究,結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況制定出相應(yīng)的半剛性設(shè)計(jì)方法,在規(guī)范中加以體現(xiàn)。
參考文獻(xiàn):
[1]陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京:科學(xué)出版社,2001.
[2]陳惠發(fā),周綏平.鋼框架穩(wěn)定設(shè)計(jì)[M].上海:世界圖書(shū)出版社.2000
[2]
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