劉 柳

半剛性節(jié)點(diǎn)在門(mén)式剛架中的應(yīng)用研究

劉 柳

基于近年來(lái)的研究工作,對(duì)門(mén)式剛架若干問(wèn)題的最新研究成果進(jìn)行了簡(jiǎn)單匯總,具體包括半剛性節(jié)點(diǎn)門(mén)式剛架的改良和創(chuàng)新,并提出了進(jìn)一步的研究方向,為深化該體系研究和實(shí)際工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

門(mén)式剛架,半剛性節(jié)點(diǎn),輕鋼結(jié)構(gòu)

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步發(fā)展,新的空間結(jié)構(gòu)形式不斷涌現(xiàn),門(mén)式剛架在現(xiàn)代社會(huì)中的應(yīng)用也愈加廣泛。門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)是目前國(guó)內(nèi)外單層工業(yè)廠房及單層大跨民用建筑中應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)角節(jié)點(diǎn)是門(mén)式剛架的主要連接部分,其連接性能將直接影響到門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)在荷載作用下的整體行為[1]。它是一種制作安裝方便,施工快捷的結(jié)構(gòu)體系,在一定跨度范圍內(nèi)具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。但是如果隨著跨度的不斷增加,結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面尺寸又過(guò)大,構(gòu)件用鋼量增加,經(jīng)濟(jì)性能下降。為了解決這個(gè)問(wèn)題,在門(mén)式剛架的基礎(chǔ)上添加了半剛性節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用,提出了全新的輕鋼結(jié)構(gòu)門(mén)式剛架,該結(jié)構(gòu)合理的利用現(xiàn)代技術(shù),以有效提高結(jié)構(gòu)的剛度,改善結(jié)構(gòu)受力,目前國(guó)外一些發(fā)展國(guó)家做得比較多,而且相對(duì)比較成熟,但國(guó)內(nèi)此類(lèi)項(xiàng)目應(yīng)用比較少。隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)發(fā)展的要求,對(duì)跨度的要求越來(lái)越大,在門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用則會(huì)越來(lái)越多。

任何結(jié)構(gòu)形式的提出—應(yīng)用—發(fā)展的過(guò)程都是不斷改良和創(chuàng)新的過(guò)程,門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)也不例外。門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)體系主要是由梁、柱、節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,而節(jié)點(diǎn)在輕鋼結(jié)構(gòu)中尤其起著至關(guān)重要的作用。節(jié)點(diǎn)的性能對(duì)剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的安全性、可靠性、制作安裝、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和使用性能均有很大的影響。節(jié)點(diǎn)性能不僅影響剛架的內(nèi)力分布、剛架的整體變形,而且能改變結(jié)構(gòu)的自振周期,影響結(jié)構(gòu)在地震作用和風(fēng)荷載下的動(dòng)力響應(yīng)。因此,對(duì)于門(mén)式剛架節(jié)點(diǎn)連接性能的研究就顯得格外有意義。本文主要介紹了鋼結(jié)構(gòu)半剛性連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能及實(shí)際應(yīng)用情況,并對(duì)其現(xiàn)行研究的不足和未來(lái)研究的發(fā)展提出一些觀點(diǎn)。

1 半剛性連接的引入及對(duì)剛架內(nèi)力與位移的影響

1.1 半剛性節(jié)點(diǎn)的引入

下述的三種連接劃分依據(jù)為連接之間是否有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)及承受彎矩的能力。剛性連接的梁柱之間沒(méi)有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),且能承受彎矩的作用;鉸接連接則有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),不能承受彎矩;而半剛性連接之間有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),且能承受彎矩。三種連接方式的受力變形圖如圖 1所示。

鋼結(jié)構(gòu)中梁、柱等構(gòu)件和桿件的連接方式一般都選擇通過(guò)螺栓或者焊接連接。各部件都是通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接起來(lái),節(jié)點(diǎn)的連接性能將直接影響到結(jié)構(gòu)在荷載作用下的整體性能。在門(mén)式剛架傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中,一般都會(huì)假定節(jié)點(diǎn)為完全剛接或是理想的鉸接。如果節(jié)點(diǎn)假定為理想剛接,當(dāng)剛架發(fā)生變形時(shí),剛架的柱和梁之間沒(méi)有發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),其夾角也保持不變;如果節(jié)點(diǎn)假定為理想鉸接,梁就像簡(jiǎn)支在剛架柱上一樣,梁和柱之間通過(guò)鉸接連接故不能傳遞彎矩,梁柱獨(dú)立發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)且轉(zhuǎn)角不同。從試驗(yàn)中所得到的數(shù)據(jù)來(lái)看,所有連接剛度中幾乎沒(méi)有完全剛接或者完全理想鉸接的,節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度處于兩者之間,半剛性的概念于是被提了出來(lái)。半剛性的概念被引入之后,實(shí)際工程在設(shè)計(jì)時(shí)考慮的問(wèn)題更加趨近于實(shí)際節(jié)點(diǎn)的連接性能,比如：考慮了節(jié)點(diǎn)區(qū)域的相對(duì)變形以后,可以使得構(gòu)件內(nèi)的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩和。通常情況下,梁柱焊接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為 6×105kNm/rad,而螺栓連接的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度在 2×104kNm/rad～10×104kNm/rad之間[3],充分說(shuō)明了節(jié)點(diǎn)連接的半剛性。但是到目前為止,半剛性連接在實(shí)際工程中的設(shè)計(jì)還沒(méi)有得到很好的應(yīng)用,原因主要在于缺乏權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)基于半剛性的剛架設(shè)計(jì)方法做出權(quán)威的規(guī)定,還有在設(shè)計(jì)時(shí)使用的軟件對(duì)半剛性理論缺乏相應(yīng)的支持,不同的結(jié)構(gòu)、不同的連接方式、涉及的因素過(guò)多都導(dǎo)致了半剛性連接在實(shí)際應(yīng)用中的限制。

1.2 節(jié)點(diǎn)半剛性對(duì)剛架內(nèi)力與位移的影響

本文研究的門(mén)式剛架為單跨且柱腳為鉸接的連接方式,當(dāng)考慮梁柱端板節(jié)點(diǎn)為半剛性節(jié)點(diǎn)時(shí),內(nèi)力影響主要體現(xiàn)在：在豎向均布荷載和水平力的作用下,由于連接的半剛性,檐口彎矩有減小的趨勢(shì),屋脊彎矩變大,梁軸力減小,柱端剪力增大,其余內(nèi)力基本不變。導(dǎo)致這種變化的主要原因是連接剛度小于理想的剛接,剛度變小從而導(dǎo)致內(nèi)力重分布使得支座彎矩減小而跨中的彎矩增大。

半剛性連接的門(mén)式剛架與理想的剛接相比,受柔性連接的影響比較大,柱頂?shù)奈灰茣?huì)比剛性連接時(shí)相應(yīng)的增大,斜梁連接處即屋脊處的豎向位移也會(huì)增大,增幅在 15%～60%之間。柱頂?shù)膹澗丶傲簝啥说膹澗囟紩?huì)有不同程度的減小,在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)按照剛性節(jié)點(diǎn)考慮與剛架的實(shí)際受力不相符,會(huì)導(dǎo)致梁端傳到柱頂端的負(fù)彎矩增大,而導(dǎo)致跨中正彎矩變小,因此這種設(shè)計(jì)理念會(huì)使設(shè)計(jì)變得不安全,通過(guò)對(duì)剛節(jié)點(diǎn)與半剛節(jié)點(diǎn)的對(duì)比分析可知,模型中轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較大時(shí)按照理想的剛接進(jìn)行分析是合適的,但是轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較小時(shí),會(huì)導(dǎo)致與理想剛接的分析結(jié)果偏差過(guò)大。因此在剛架的分析和設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮端板連接的半剛性,嚴(yán)格控制柱頂?shù)乃轿灰啤?/p>

許多鋼結(jié)構(gòu)破壞都是由于構(gòu)件的失穩(wěn)造成的,所以結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析在鋼結(jié)構(gòu)的分析中占著尤為重要的作用,對(duì)于同時(shí)存在受彎、受壓、受剪的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,在連接部分或者構(gòu)件處理不當(dāng)?shù)脑?huà),很可能會(huì)造成整體或局部失穩(wěn)的現(xiàn)象,在《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中由柱的穩(wěn)定性來(lái)代替整體穩(wěn)定分析。計(jì)算柱的穩(wěn)定性的時(shí)候涉及到柱的計(jì)算長(zhǎng)度,由它代替構(gòu)件的幾何尺寸來(lái)進(jìn)行穩(wěn)定性分析,其中定義計(jì)算長(zhǎng)度與幾何長(zhǎng)度的比值作為計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù),通過(guò)穩(wěn)定系數(shù)來(lái)考慮截面的不同尺寸、形式和加工條件等。隨著轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的增加,計(jì)算長(zhǎng)度的增幅減小,柱腳為鉸接的剛架受到的影響會(huì)比較大,這主要是由于考慮了半剛性以后,梁與柱的連接剛度就降低了,相互約束相對(duì)減弱,使得結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定承載力減小。

節(jié)點(diǎn)的半剛性并不影響結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形式,柱腳鉸接時(shí)一般會(huì)發(fā)生有側(cè)移的極值點(diǎn)失穩(wěn);當(dāng)柱腳剛接時(shí),剛架的失穩(wěn)形式除了可能發(fā)生有側(cè)移的極值點(diǎn)失穩(wěn)外,還有可能發(fā)生躍越失穩(wěn)情況。發(fā)生躍越失穩(wěn),主要是由于隨著轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的減小,梁的剛度降低,柱與梁的相互約束減弱,斜梁的中間連接退化為鉸接,梁柱節(jié)點(diǎn)的剛度變小,類(lèi)似于梁簡(jiǎn)支在柱上面,在豎向荷載作用下,斜梁頂部的豎向位移過(guò)大,從而導(dǎo)致荷載達(dá)到極限承載力時(shí),發(fā)生躍越失穩(wěn)破壞。

2 半剛性連接的模型分析

半剛性連接研究在國(guó)外已發(fā)展多年并且取得了優(yōu)異的成績(jī),但是在我國(guó)進(jìn)行研究的起步較晚,成果也相對(duì)比較匱乏,門(mén)式剛架端板的連接方式較多,其中外伸式端板由于其受力合理而在工程中應(yīng)用較為廣泛。其中端板的剪力主要由外伸式端板承受,而彎矩則靠端板、柱翼緣、節(jié)點(diǎn)域柱腹板等來(lái)共同承擔(dān),但由于這些板件厚度不大,所以剛度有限,梁端在彎矩的作用下會(huì)產(chǎn)生變形,從而使節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度有所降低,端板連接的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度也與端板尺寸、螺栓的排列方式、連接的初始變形以及是否設(shè)置加勁肋等因素有關(guān),因此端板連接的θ,M關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系而是具有非線性的特性。

門(mén)式剛架端板連接處的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度主要決定于節(jié)點(diǎn)彎矩與轉(zhuǎn)角的相互關(guān)系,但是在實(shí)際工程中,由于連接形式、材料差異及施工水平高低等因素的影響,很難形成一個(gè)統(tǒng)一的公式來(lái)度量轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的大小。目前,比較成熟的一些研究都是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)回歸分析得到彎矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系,主要有以下幾種模型。

2.1 線性模型

線性模型的主要特征是在加載范圍內(nèi),連接特性用節(jié)點(diǎn)初始剛度來(lái)表述,繼續(xù)加載到屈服極限后,由于連接剛度的非線性特性,繼續(xù)使用初始剛度來(lái)表示就顯得不太合理從而出現(xiàn)一定量的偏差值。而在折線模型中,使用的是用一組相近的直線來(lái)對(duì)M—θ曲線進(jìn)行逼近。但還是存在準(zhǔn)確度不高的缺點(diǎn),在直線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的地方,在連接中則意味著剛度的突變,無(wú)法很好的應(yīng)用于實(shí)際工程。

2.2 多項(xiàng)式模型

線性模型用于描述連接特性過(guò)于簡(jiǎn)單,許多研究學(xué)者另辟蹊徑尋找其他的途徑,在大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)之上,有人提出了多項(xiàng)式模型,這是一種全新的方法,先通過(guò)試驗(yàn)得到大量的有用試驗(yàn)數(shù)據(jù),然后將這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)加以整理,通過(guò)一些數(shù)學(xué)方法與曲線擬合軟件擬合成一條曲線。模型中 M—θ曲線是由一個(gè)奇次方的多項(xiàng)式來(lái)表示的,故又稱(chēng)為奇次方多項(xiàng)式模型。

其中,參數(shù)K的取值與節(jié)點(diǎn)的連接形式和幾何尺寸相關(guān),不同的連接方式及不同的尺寸所采用的K值也不一樣,視具體連接情況而定;C1,C2,C3均為擬合常數(shù)。該方法與線性模型相比,確實(shí)有很大的改進(jìn),在整個(gè)加載范圍內(nèi)不是用單一的直線來(lái)模擬連接特性,能更好的模擬出連接的非線性特性。但是其不太完善的地方在于其模擬公式采用的多項(xiàng)式形式,在通過(guò)多項(xiàng)式的極值點(diǎn)后曲線會(huì)呈現(xiàn)下降的形態(tài),此時(shí)曲線的斜率則為非正數(shù)。但這是與實(shí)際不符合的,在實(shí)際中轉(zhuǎn)動(dòng)剛度一定是正值而非負(fù)值,因?yàn)樵谇€圖中,連接的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度是由曲線圖的斜率來(lái)表示的,基于上述原因,該模型雖能解決一部分問(wèn)題,但還存在較大的問(wèn)題,在實(shí)際應(yīng)用中也存在較大的局限性。

2.3 三次 β樣條模型

三次 β樣條模型是瓊斯等人最先提出來(lái)的。在試驗(yàn)中根據(jù)M的變化又分成了很多組,得到的數(shù)據(jù)就是M值變化不大的多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。然后利用三次 β樣條曲線對(duì)所測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線模擬,在擬合過(guò)程中的關(guān)鍵措施是保證交點(diǎn)處的數(shù)據(jù)一階、二階可導(dǎo)并且是連續(xù)的。該模型能較好地表現(xiàn)出曲線的非線性特征,但是缺陷在于如果想得到精確的擬合效果,就得需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做支撐,而且試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量也會(huì)影響到模擬的效果,所以這種方法對(duì)試驗(yàn)的要求很高。要想得到好的效果曲線,必須做大量的試驗(yàn)且保證獲得的數(shù)據(jù)有較高的精確度,能反映真實(shí)的連接特性。

2.4 強(qiáng)化雙線性節(jié)點(diǎn)模型

我國(guó)的學(xué)者提出的比較有代表性的模型是丁潔民和沈祖炎提出的強(qiáng)化雙線性節(jié)點(diǎn)模型。其特點(diǎn)是改進(jìn)了以往的模型在結(jié)構(gòu)計(jì)算中不方便的缺陷,而且能對(duì)節(jié)點(diǎn)影響進(jìn)行定量與定性分析。與該模型對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)加載過(guò)程如下：對(duì)某一節(jié)點(diǎn)施加彎矩荷載,與荷載對(duì)應(yīng)能得到一轉(zhuǎn)角θ,由施加荷載及與之對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角能作出 M—θ(彎矩—轉(zhuǎn)角)關(guān)系曲線圖(如圖 2所示)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)快達(dá)到屈服極限時(shí),對(duì)其卸載再進(jìn)行加載,由圖 2可知,此時(shí)的節(jié)點(diǎn)剛度等于初始剛度,于是可以假設(shè)在節(jié)點(diǎn)區(qū)域處于彈性階段的時(shí)候,用初始剛度來(lái)表示節(jié)點(diǎn)的半剛性是合適的。當(dāng)節(jié)點(diǎn)彎矩值達(dá)到 0.8Mu時(shí),節(jié)點(diǎn)的非線性明顯增大,可以用 Mf來(lái)表示節(jié)點(diǎn)進(jìn)入非線性的剛度變化。一般情況下取Mf=(1/30～1/60)K0,在結(jié)構(gòu)分析時(shí),取 Mf=1/40K0。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要講述了門(mén)式剛架半剛性節(jié)點(diǎn)的一些基本理論,為以后所進(jìn)行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作做好了理論鋪墊。通過(guò)以上分析可以得出,盡管?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)半剛性連接的性能分析進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和有限元分析,但是對(duì)于半剛性節(jié)點(diǎn)的探討仍然處于初步階段,雖然國(guó)內(nèi)外都在對(duì)半剛性連接的性能進(jìn)行研究,但至今所有的資料都只是給了一些設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則,并沒(méi)有給出能被工程技術(shù)人員方便、簡(jiǎn)潔地應(yīng)用到實(shí)際工程的方法。半剛性連接節(jié)點(diǎn)的抗火性能至今還沒(méi)有進(jìn)行過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。

從以上分析可以得出,采用半剛性連接可以更貼近實(shí)際情況,使結(jié)構(gòu)的抗震性能得到最合理的利用,充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的良好抗震性能。另外,在提高結(jié)構(gòu)安全性能的同時(shí),使結(jié)構(gòu)連接費(fèi)用減少,從而節(jié)省工程的總投資,節(jié)約工程造價(jià)。可見(jiàn)半剛性連接無(wú)論是在經(jīng)濟(jì)上還是在技術(shù)上都具有廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)然,它還在不斷地豐富與進(jìn)展,針對(duì)它的試驗(yàn)還在繼續(xù),能直接應(yīng)用于實(shí)際工程中的具體量化設(shè)計(jì)方法還需進(jìn)一步的研究。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平和建筑技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步,半剛性連接鋼框架在我國(guó)將會(huì)有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

[1]魏明鐘.鋼結(jié)構(gòu)[M].武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社,2000.

[2]馮建霖.門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2009.

[3]顧 強(qiáng),周敏輝.楔形變截面門(mén)式剛架的設(shè)計(jì)(1)[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào),1998(3)：51-52.

[4]程顯鋒,馬心俐.半剛性節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度及其影響[J].山西建筑,2009,35(23)：48-49.

Research on the application of sem i-rigid node in portal-type rigid fram e

LIU Liu

Base on recentyears's research work,carried on to the pre-stressed portal-type rigid frame's certain question newest research results has compiled simply,included the imp rovementand the innovation of the semi-rigid node portal-type rigid frame specifically,and proposed the further research direction,to deepen this system research and the actual projectapp lication provides the rationale.

portal-type rigid frame,semi-rigid node,light steel structure

TU394

A

1009-6825(2011)09-0038-03

2010-11-29

劉 柳(1986-),女,河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院碩士研究生,河北邯鄲 056038