馬 良

0 引言

帶懸臂梁段拼接的梁柱連接節(jié)點(diǎn)是一種新的節(jié)點(diǎn)形式,目前在我國已有應(yīng)用,我國的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范也將這種節(jié)點(diǎn)形式收入并推薦使用[1]。帶懸臂梁段拼接的梁柱節(jié)點(diǎn)采用工廠制作,工地高強(qiáng)螺栓拼接,這樣就克服了工地現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量不易控制的缺點(diǎn),同時(shí)具有較好的耗能能力、變形能力和方便施工的特點(diǎn)。

1 帶懸臂梁段拼接節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展

1)2002年,蘇州科技學(xué)院的李啟才[2]副教授通過對(duì)國內(nèi)外鋼梁拼接在靜力和地震荷載作用下的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了分析和比較,并提出了拼接點(diǎn)位置的確定,抗震設(shè)計(jì)時(shí)螺栓的選擇以及非抗震設(shè)計(jì)時(shí)彎矩和剪力在梁翼緣、腹板之間的分配等建議,具體建議如下:a.本著節(jié)約拼接材料又不影響梁端塑性鉸發(fā)展的目的,拼接節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量靠近梁在均布荷載作用下的反彎點(diǎn)處,且盡量遠(yuǎn)離塑性鉸。即在照顧運(yùn)輸限制的同時(shí),盡量取靠近梁端0.21倍的梁跨處,遠(yuǎn)離梁端0.1倍的跨度或2倍的梁高之處;b.螺栓直徑的選擇與被連接鋼材的材質(zhì)、螺栓的等級(jí)、摩擦面的滑移系數(shù)以及較薄一側(cè)的鋼板總厚度有關(guān);c.非抗震設(shè)計(jì)選用拼接點(diǎn)處實(shí)際彎矩和剪力值,盡量讓翼緣承擔(dān)所有設(shè)計(jì)彎矩,多余由腹板承擔(dān),腹板承擔(dān)剪力及剪力偏心引起的附加彎矩。

2)2002年,蘇州科技學(xué)院的李啟才[3]副教授為了檢驗(yàn)帶懸臂梁段拼接的梁柱連接抗震性能,對(duì)4個(gè)試件進(jìn)行了循環(huán)加載試驗(yàn)。試驗(yàn)側(cè)重于對(duì)拼接節(jié)點(diǎn)的研究,采用10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓摩擦型連接,翼緣和腹板全部拼接。試驗(yàn)結(jié)果表明:螺栓拼接節(jié)點(diǎn)的延性遠(yuǎn)好于梁柱焊縫連接;較弱拼接節(jié)點(diǎn)的延性遠(yuǎn)好于梁柱焊縫連接;但滑移伴隨有劇烈的響聲,會(huì)使人產(chǎn)生心理恐慌。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了設(shè)計(jì)建議:盡量將拼接設(shè)計(jì)得弱些,可以提高梁柱連接的轉(zhuǎn)動(dòng)能力,減少地震作用向梁柱連接焊縫的輸入,延緩焊縫的脆性破壞。

3)為了了解摩擦型高強(qiáng)螺栓連接性能,李啟才[4]副教授對(duì)5個(gè)試件進(jìn)行了抗滑移系數(shù)、屈服強(qiáng)度和極限承載能力的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明用鋼絲刷清除浮銹處理的摩擦面抗滑移系數(shù)達(dá)不到規(guī)范給定的數(shù)值;連接的屈服強(qiáng)度和極限承載能力很接近連接板材的相應(yīng)強(qiáng)度,加大或減小螺栓的預(yù)拉力只對(duì)連接出現(xiàn)滑移時(shí)的荷載有影響,對(duì)連接的其他性能并無明顯影響。并給出了設(shè)計(jì)建議:a.用鋼絲刷清除浮銹或未經(jīng)處理的干凈軋制表面的Q235鋼材的抗滑移系數(shù)達(dá)不到0.3,建議將此值改小。因?yàn)樵诠こ舔?yàn)收時(shí),如果抗滑移系數(shù)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,需返工重新處理,而若仍采用同樣的方法,很難達(dá)到0.3。b.抗震規(guī)范在梁的拼接設(shè)計(jì)中,將凈截面驗(yàn)算作為構(gòu)件極限承載能力設(shè)計(jì)的一部分,采用屈服強(qiáng)度,而實(shí)際上,在破壞時(shí)凈截面已達(dá)到或接近材料的實(shí)際抗拉強(qiáng)度,毛截面也進(jìn)入了強(qiáng)化階段。建議在此驗(yàn)算中,采用凈截面的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度。

4)2003年,李啟才[5]副教授通過對(duì)兩個(gè)帶懸臂梁段拼接的梁柱連接試件的設(shè)計(jì)和循環(huán)加載試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析,指出可以利用接觸面的滑移和螺栓與孔壁的擠壓來消耗能量,減少地震作用向梁柱焊縫的輸入,提高連接的抗震性能。并根據(jù)分析結(jié)果提出了設(shè)計(jì)建議:a.在彈性階段,拼接節(jié)點(diǎn)的計(jì)算內(nèi)力應(yīng)取該處的實(shí)際內(nèi)力,計(jì)算梁翼緣凈截面受力時(shí),應(yīng)考慮孔前傳力,翼緣的抗彎承載能力應(yīng)取螺栓孔處的凈截面抗彎承載能力和螺栓連接的抗彎承載能力中的較小值,腹板分擔(dān)的彎矩應(yīng)按整個(gè)拼接區(qū)承受的彎矩減去翼緣的抗彎承載能力計(jì)算。b.在極限承載能力階段計(jì)算翼緣凈截面承載力時(shí),應(yīng)采用鋼材的抗拉強(qiáng)度。c.提高接觸面的抗滑移系數(shù),可以減少螺栓用量,并可利用滑移耗能,改善連接的抗震性能。

5)2004年,常鴻飛,夏軍武等[6]通過算例分析發(fā)現(xiàn)常規(guī)設(shè)計(jì)方法無法滿足樹狀柱的抗震要求,提出了對(duì)樹狀柱進(jìn)行整體設(shè)計(jì)的必要性。提出可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮:a.節(jié)點(diǎn)形式。建議采用強(qiáng)度和剛度較高的全焊節(jié)點(diǎn),并嚴(yán)格控制焊縫質(zhì)量;b.設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)方法的選擇上要對(duì)比各方法的優(yōu)劣,根據(jù)控制因素選擇合理的設(shè)計(jì)方法。同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)該考慮梁柱節(jié)點(diǎn)和梁拼接節(jié)點(diǎn)之間的相互作用;c.構(gòu)造措施。通過加強(qiáng)梁端(加蓋板、加腋)或削弱梁中部(截面局部削弱)的做法保證強(qiáng)節(jié)點(diǎn)。

6)2006年,夏軍武,常鴻飛[7]通過有限元模擬研究了鋼框架柱帶懸臂梁段拼接點(diǎn)在彈性極限狀態(tài)和塑性極限狀態(tài)下的應(yīng)力分布規(guī)律,將其受力性能和變形能力與普通無拼接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比,分析兩種不同連接節(jié)點(diǎn)的變形性能和不同連接剛度對(duì)節(jié)點(diǎn)承載性能的影響。結(jié)果表明:雖然帶懸臂梁段拼接節(jié)點(diǎn)的梁翼緣、腹板均有所削弱,但其初始剛度和極限承載力受影響較小,且彈性剛度高于無拼接的焊接節(jié)點(diǎn);而在塑性極限狀態(tài)下,帶懸臂梁段拼接節(jié)點(diǎn)的高強(qiáng)螺栓拼接會(huì)出現(xiàn)滑移,其轉(zhuǎn)動(dòng)能力要高于無拼接節(jié)點(diǎn),可見利用拼接滑移耗散地震能量輸入是可行的。

7)2006年,李啟才[8]副教授為了比較樹狀柱鋼框架中各種鋼梁拼接設(shè)計(jì)的抗震性能,對(duì)幾種常用的拼接設(shè)計(jì)進(jìn)行了有限元滯回性能的模擬對(duì)比分析。分析采用三維三重非線性有限元,完全考慮了螺栓預(yù)拉力、螺栓頭(帽)與板的相互作用、螺栓桿與孔壁的相互擠壓作用、接觸面的摩擦作用。通過分析,得出以下結(jié)論:a.拼接設(shè)計(jì)時(shí),假定腹板不承受彎矩的設(shè)計(jì)方法,對(duì)于翼緣對(duì)接焊接、腹板拼接的連接形式并不適用;b.翼緣對(duì)接焊縫連接、腹板螺栓拼接的梁柱連接,其性能與沒有進(jìn)行梁的拼接的梁柱連接性能基本相同。只是采用了拼接以后,梁柱連接處的對(duì)接焊縫由現(xiàn)場(chǎng)焊接改為工廠焊接,連接性能更加可靠。但是這種連接出現(xiàn)不了螺栓的滑移和螺栓與孔壁的擠壓耗能,在地震區(qū)使用時(shí),其性能不能得到完全發(fā)揮;c.對(duì)于剛性框架中梁的翼緣和腹板都采用高強(qiáng)螺栓拼接的較好的設(shè)計(jì)方法應(yīng)該是在計(jì)算翼緣的凈截面承載能力時(shí),考慮孔前傳力,盡量讓翼緣的拼接承擔(dān)較多的彎矩,以減少拼接材料和施工的總費(fèi)用。

8)2008年,袁素榮[9]根據(jù)鋼框架強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)原則,以兩種方式對(duì)樹狀柱梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng),然后用三維有限元模擬分析,并進(jìn)行對(duì)比。ANSYS模擬結(jié)果表明:a.從計(jì)算的應(yīng)力分布可知梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)翼緣根部存在高應(yīng)力集中區(qū),需要加強(qiáng);b.通過在梁端翼緣加寬或加蓋板可以明顯地將翼緣根部的高應(yīng)力集中區(qū)外移,說明這兩種梁有較好的抗震性能,能夠真正做到“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”;c.加蓋板型變截面梁上翼緣處應(yīng)力集中程度小于翼緣加寬型變截面梁,且加蓋板型變截面梁的抗震能力略高于翼緣加寬型變截面梁;d.雖然這兩種形式都能對(duì)節(jié)點(diǎn)形式加強(qiáng),但梁端翼緣加寬型變截面梁比加蓋板型變截面梁節(jié)省鋼材;e.加強(qiáng)的梁端塑性轉(zhuǎn)角(梁端塑性位移除以梁長)才能達(dá)到0.03 rad。

2 結(jié)語

文中介紹了鋼框架柱帶懸臂梁段拼接點(diǎn)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展過程。由于其具有諸多的優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于各類建筑結(jié)構(gòu)中,具有廣闊的發(fā)展前景。針對(duì)現(xiàn)階段設(shè)計(jì)時(shí),按純鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),不考慮混凝土板作用的實(shí)際情況,作者將進(jìn)行帶樓板的鋼框架中拼接點(diǎn)的耗能性能試驗(yàn)研究,以期了解混凝土板對(duì)拼接點(diǎn)的影響,為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

[1] GBJ 50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 李啟才,陳紹蕃,王萬禎.鋼梁螺栓拼接設(shè)計(jì)方法的分析與建議[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2002,32(2):7-9.

[3] 李啟才,蘇明周,顧 強(qiáng),等.帶懸臂梁段拼接的梁柱連接循環(huán)荷載試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2002,24(4):54-59.

[4] 李啟才,顧 強(qiáng),蘇明周,等.摩擦型高強(qiáng)螺栓連接性能的試驗(yàn)研究[J].西安科技學(xué)院學(xué)報(bào),2003,23(3):322-327.

[5] 李啟才,蘇明周,陳愛國,等.帶懸臂梁段拼接的梁柱連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)分析[J].工業(yè)建筑,2003,34(6):74-76.

[6] 常鴻飛,夏軍武,吳 渭,等.鋼框架樹狀柱節(jié)點(diǎn)整體設(shè)計(jì)研究[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展,2004,7(3):49-51.

[7] 夏軍武,常鴻飛.鋼框架柱帶懸臂梁段拼接節(jié)點(diǎn)的彈塑性分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,35(5):596-601.

[8] 李啟才,顧 強(qiáng).樹狀柱框架中鋼梁拼接的抗震設(shè)計(jì)有限元模擬對(duì)比[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào),2006,19(2):1-5.

[9] 袁素榮,李啟才.樹狀柱鋼框架梁柱連接節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)型式的有限元分析[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào),2008,21(2):27-29.