劉 偉 于海濤 姜 昊 張 雄 席 位

(吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

0 引言

近年來(lái)地震頻發(fā)，特別是在我國(guó)接連幾年發(fā)生的兩次大地震造成了巨大的人身傷害及經(jīng)濟(jì)損失.為防止悲劇重演，必須對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能的要求進(jìn)一步提高，因此尋求抗震性能更好的結(jié)構(gòu)體系至關(guān)重要.在傳統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中，總是把鋼框架看成理想的鉸接或者剛接形式，而實(shí)際受力情況卻是介于鉸接與剛接之間的半剛性連接.經(jīng)過(guò)1994年和1995年的兩次大地震(美國(guó)北嶺地震和日本阪神地震)后，研究人員發(fā)現(xiàn)，采用完全焊接的剛性節(jié)點(diǎn)鋼框架大部分發(fā)生脆性破壞，引發(fā)了設(shè)計(jì)者們對(duì)鋼框架抗震性能的深思，從而，半剛性連接鋼框架便逐漸占據(jù)了人們的眼球.

1 半剛性鋼框架的特點(diǎn)

與剛性和柔性鋼框架相比較，半剛性鋼框架具有其明顯的優(yōu)勢(shì).

(1)節(jié)約鋼材.合理的調(diào)節(jié)半剛性節(jié)點(diǎn)的剛度，可有效地改變結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力分配，同時(shí)減小其峰值，從而可以充分利用鋼材，降低用鋼量，實(shí)現(xiàn)節(jié)約鋼材的目的;

(2)耗能高、抗震性能好.半剛性連接鋼框架可以產(chǎn)生較大的塑性變形、良好的延性性能，并且還有一定的剛度和強(qiáng)度，因此是一種理想的抗震耗能體系;

(3)綜合效益明顯.半剛性連接鋼框架大量采用高強(qiáng)螺栓連接，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，施工速度快，還可以有效的節(jié)省人力、物力，并且毀壞、廢除后可以拆卸回收，綜合經(jīng)濟(jì)效益非常明顯.

圖1和圖2為一次實(shí)驗(yàn)的滯回曲線.由圖可以看出:半剛性連接鋼框架較剛性連接鋼框架具有良好的耗能能力，滯回曲線比較飽滿，滯回性能比較好.

圖1 半剛性連接鋼框架

圖2 剛性連接鋼框架

2 半剛性連接鋼框架常見(jiàn)結(jié)構(gòu)類型

(1)內(nèi)縮式端板連接.內(nèi)縮式端板連接由一個(gè)高度小于梁高度的端板與梁進(jìn)行焊接，再用螺栓與框架柱相連接組成.這種連接方式可以承受梁在工作荷載作用下的全固端彎矩的20%左右(如圖3 h);

(2)頂?shù)捉卿撨B接.在AISC－ASD(1989)規(guī)范中，對(duì)頂?shù)捉卿撨B接形式規(guī)定如下:①底角鋼只傳遞豎向反力，并且對(duì)梁端不產(chǎn)生較大的約束彎矩;②頂角鋼僅用來(lái)保持側(cè)向穩(wěn)定，不能承受任何重力載荷.然而，已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，此種連接形式可以抵抗一定的梁端彎矩(如圖3 c);

(3)雙腹板頂?shù)捉卿撨B接.這類連接是頂?shù)捉卿撨B接和腹板雙角鋼連接的組合，是梁的上下翼緣用角鋼與柱翼緣相連，同時(shí)梁腹板也用兩個(gè)角鋼與柱翼緣相連的一種連接形式(如圖3 d);

(4)平齊/外伸端板連接.這兩種連接是半剛性鋼框架連接的常用形式，其可以承受一定的彎矩.外伸端板連接根據(jù)外伸受力情況又可分為兩種:一種是只在受拉一側(cè)外伸的端板連接;一種是在受拉和受壓兩側(cè)都外伸的端板連接(如圖3 f/e);

(5)短T型鋼連接.此連接是在梁的上下翼緣處用兩個(gè)短T型鋼作為連接件通過(guò)螺栓把梁、柱連接起來(lái).這種連接方式剛度比其他半剛性連接方式都大，是剛度最大的半剛性連接之一，當(dāng)把這種連接形式與雙腹板角鋼組合使用時(shí)可當(dāng)做剛性連接(圖3 g).

圖3 半剛性連接鋼框架常見(jiàn)結(jié)構(gòu)類型

3 半剛性連接鋼框架的研究現(xiàn)狀

Romstadt和Subrajnanian[1](1970)用雙線性模型來(lái)代替腹板雙角鋼類型的半剛性連接M －θ曲線關(guān)系，利用梁柱理論對(duì)單跨單層半剛性連接鋼框架進(jìn)行了彈性穩(wěn)定分析.

Frye和Morris (1975)將7種常用半剛性的M－θ關(guān)系用無(wú)量綱的多項(xiàng)式模型表示，通過(guò)迭代法近似確定了半剛性節(jié)點(diǎn)連接的非線性剛度，對(duì)半剛性連接鋼框架的彈性理論進(jìn)行了分析研究;顧強(qiáng)[3]進(jìn)行了腹板雙角鋼半剛性節(jié)點(diǎn)的梁端位移循環(huán)加載試驗(yàn)，分析研究了此種連接形式的破壞機(jī)理和變形能力;李國(guó)強(qiáng)[4]等人研究分析了半剛性連接鋼框架在彈塑性狀態(tài)下的地震反應(yīng);王國(guó)兵[5]設(shè)計(jì)了雙腹板頂?shù)捉卿摪雱傂怨?jié)點(diǎn)的一品兩跨三層的鋼框架模型，進(jìn)行了低周反復(fù)實(shí)驗(yàn)，得出半剛性鋼框架具有很好的抗震性能和耗能能力的結(jié)論;陳妍[6]利用有限元軟件對(duì)半剛性鋼框架進(jìn)行了動(dòng)力性能分析，得出如果對(duì)半剛性鋼框架完全近似按鋼框架進(jìn)行設(shè)計(jì)會(huì)造成較大的誤差，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)柔性對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的影響;徐良偉[7]等人在假設(shè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入螺旋彈簧剛度，利用簡(jiǎn)支式等效單元模型，推導(dǎo)出了梁?jiǎn)卧膹澗剞D(zhuǎn)角方程和修正轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，同時(shí)還將無(wú)剪力法推廣到了半剛性連接鋼框架的結(jié)構(gòu)分析上，為工程設(shè)計(jì)人員所應(yīng)用;王燕[8]利用M－θ三參數(shù)線性化模型，通過(guò)對(duì)各種連接類型的半剛性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析，推導(dǎo)出每種形式的半剛性連接節(jié)點(diǎn)在荷載作用下的內(nèi)力和線性初始剛度的計(jì)算公式;陳國(guó)棟和房貞政[9]對(duì)半剛性鋼框架進(jìn)行了二階彈性分析，論證了我國(guó)現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范提供的P－Δ效應(yīng)簡(jiǎn)化方法不能適用于半剛性鋼框架的設(shè)計(jì);向芳和舒興平[10]對(duì)上下翼緣采用角鋼連接的半剛接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了極限承載力分析;溫柔[11]通過(guò)有限元分析了頂?shù)捉卿摪雱傂怨?jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理，以及頂?shù)捉卿摵穸?、梁高、螺栓直接、摩擦系?shù)、預(yù)拉力對(duì)結(jié)構(gòu)承載力及變形的影響，得到影響彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系的主要因素是頂?shù)捉卿摵穸?、梁高、頂?shù)捉卿撻L(zhǎng)度及角鋼與柱翼緣螺栓中心距梁翼緣的距離.

4 結(jié)論與展望

綜合當(dāng)前對(duì)半剛性連接鋼框架的研究現(xiàn)狀得出以下結(jié)論:

(1)半剛性連接鋼框架可以更為方便地實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的抗震設(shè)計(jì)原則;

(2)半剛性連接鋼框架可在發(fā)生較大的變形后達(dá)到極限承載力，這與鋼材本身變形能力大、延性好有關(guān)，同時(shí)節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)此也有很大影響，不容忽視;

(3)目前，對(duì)于半剛性連接鋼框架的研究大部分停留在對(duì)變形、破壞形式、動(dòng)靜受力性能方面，而對(duì)于抗震性能理論研究及實(shí)驗(yàn)研究甚少，對(duì)抗震性能的研究急待加強(qiáng);

(4)由于半剛性連接鋼框架的非線性性質(zhì)，因此對(duì)半剛性鋼框架的動(dòng)靜力分析應(yīng)更加深入.近年來(lái)，隨著我國(guó)鋼材產(chǎn)量的不斷增大、國(guó)家對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑的政策引導(dǎo)及國(guó)家對(duì)住宅產(chǎn)業(yè)化的要求，鋼結(jié)構(gòu)框架體系必將越來(lái)越得到廣泛的應(yīng)用.由于半剛性連接鋼框架的良好的耗能能力及抗震性能，在未來(lái)的房屋抗震體系當(dāng)中也必將發(fā)揮重大作用.

[1]K.M.Romstad，C.V.Sunrajnanian.Analysis of Frame with Partial Connection Rigidity[J].Struet.Div，ASCE，1970，96(STll):2283 －2300.

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[3]顧 強(qiáng).腹板雙角鋼梁柱連接循環(huán)荷載實(shí)驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2003，24(6):31－35.

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[5]王國(guó)兵.半剛性鋼框架抗震性能的實(shí)驗(yàn)研究[D].山東:山東科技大學(xué)，2007.

[6]陳 妍.半剛性鋼框架動(dòng)力性能研究[D].四川:西南交通大學(xué)，2009.

[7]徐良偉，王 星，蔣 苗.半剛性連接鋼框架簡(jiǎn)化分析的無(wú)剪力分配法[J].建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)，2002，29(9):5－6.

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[11]溫 柔.半剛性鋼框架抗震性能設(shè)計(jì)[D].安徽:合肥工業(yè)大學(xué)，2006.