劉 柳

半剛性節(jié)點在門式剛架中的應用研究

劉 柳

基于近年來的研究工作,對門式剛架若干問題的最新研究成果進行了簡單匯總,具體包括半剛性節(jié)點門式剛架的改良和創(chuàng)新,并提出了進一步的研究方向,為深化該體系研究和實際工程應用提供理論基礎(chǔ)。

門式剛架,半剛性節(jié)點,輕鋼結(jié)構(gòu)

0 引言

隨著社會的進步發(fā)展,新的空間結(jié)構(gòu)形式不斷涌現(xiàn),門式剛架在現(xiàn)代社會中的應用也愈加廣泛。門式剛架結(jié)構(gòu)是目前國內(nèi)外單層工業(yè)廠房及單層大跨民用建筑中應用最為廣泛的結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)角節(jié)點是門式剛架的主要連接部分,其連接性能將直接影響到門式剛架結(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)件截面尺寸又過大,構(gòu)件用鋼量增加,經(jīng)濟性能下降。為了解決這個問題,在門式剛架的基礎(chǔ)上添加了半剛性節(jié)點的應用,提出了全新的輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架,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,目前國外一些發(fā)展國家做得比較多,而且相對比較成熟,但國內(nèi)此類項目應用比較少。隨著國內(nèi)工業(yè)發(fā)展的要求,對跨度的要求越來越大,在門式剛架結(jié)構(gòu)中的應用則會越來越多。

任何結(jié)構(gòu)形式的提出—應用—發(fā)展的過程都是不斷改良和創(chuàng)新的過程,門式剛架結(jié)構(gòu)也不例外。門式剛架結(jié)構(gòu)體系主要是由梁、柱、節(jié)點構(gòu)成,而節(jié)點在輕鋼結(jié)構(gòu)中尤其起著至關(guān)重要的作用。節(jié)點的性能對剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的安全性、可靠性、制作安裝、經(jīng)濟指標和使用性能均有很大的影響。節(jié)點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)在地震作用和風荷載下的動力響應。因此,對于門式剛架節(jié)點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)點的力學性能及實際應用情況,并對其現(xiàn)行研究的不足和未來研究的發(fā)展提出一些觀點。

1 半剛性連接的引入及對剛架內(nèi)力與位移的影響

1.1 半剛性節(jié)點的引入

下述的三種連接劃分依據(jù)為連接之間是否有相對轉(zhuǎn)動及承受彎矩的能力。剛性連接的梁柱之間沒有相對轉(zhuǎn)動,且能承受彎矩的作用;鉸接連接則有相對轉(zhuǎn)動,不能承受彎矩;而半剛性連接之間有相對轉(zhuǎn)動,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螺栓或者焊接連接。各部件都是通過節(jié)點連接起來,節(jié)點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。在門式剛架傳統(tǒng)設(shè)計方法中,一般都會假定節(jié)點為完全剛接或是理想的鉸接。如果節(jié)點假定為理想剛接,當剛架發(fā)生變形時,剛架的柱和梁之間沒有發(fā)生相對轉(zhuǎn)動,其夾角也保持不變;如果節(jié)點假定為理想鉸接,梁就像簡支在剛架柱上一樣,梁和柱之間通過鉸接連接故不能傳遞彎矩,梁柱獨立發(fā)生轉(zhuǎn)動且轉(zhuǎn)角不同。從試驗中所得到的數(shù)據(jù)來看,所有連接剛度中幾乎沒有完全剛接或者完全理想鉸接的,節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度處于兩者之間,半剛性的概念于是被提了出來。半剛性的概念被引入之后,實際工程在設(shè)計時考慮的問題更加趨近于實際節(jié)點的連接性能,比如：考慮了節(jié)點區(qū)域的相對變形以后,可以使得構(gòu)件內(nèi)的應力集中現(xiàn)象得到緩和。通常情況下,梁柱焊接節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度為 6×105kNm/rad,而螺栓連接的轉(zhuǎn)動剛度在 2×104kNm/rad～10×104kNm/rad之間[3],充分說明了節(jié)點連接的半剛性。但是到目前為止,半剛性連接在實際工程中的設(shè)計還沒有得到很好的應用,原因主要在于缺乏權(quán)威機構(gòu)對基于半剛性的剛架設(shè)計方法做出權(quán)威的規(guī)定,還有在設(shè)計時使用的軟件對半剛性理論缺乏相應的支持,不同的結(jié)構(gòu)、不同的連接方式、涉及的因素過多都導致了半剛性連接在實際應用中的限制。

1.2 節(jié)點半剛性對剛架內(nèi)力與位移的影響

本文研究的門式剛架為單跨且柱腳為鉸接的連接方式,當考慮梁柱端板節(jié)點為半剛性節(jié)點時,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,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葎傂赃B接時相應的增大,斜梁連接處即屋脊處的豎向位移也會增大,增幅在 15%～60%之間。柱頂?shù)膹澗丶傲簝啥说膹澗囟紩胁煌潭鹊臏p小,在節(jié)點設(shè)計時按照剛性節(jié)點考慮與剛架的實際受力不相符,會導致梁端傳到柱頂端的負彎矩增大,而導致跨中正彎矩變小,因此這種設(shè)計理念會使設(shè)計變得不安全,通過對剛節(jié)點與半剛節(jié)點的對比分析可知,模型中轉(zhuǎn)動剛度較大時按照理想的剛接進行分析是合適的,但是轉(zhuǎn)動剛度較小時,會導致與理想剛接的分析結(jié)果偏差過大。因此在剛架的分析和設(shè)計中應該考慮端板連接的半剛性,嚴格控制柱頂?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,對于同時存在受彎、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?shù)脑?很可能會造成整體或局部失穩(wěn)的現(xiàn)象,在《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中由柱的穩(wěn)定性來代替整體穩(wěn)定分析。計算柱的穩(wěn)定性的時候涉及到柱的計算長度,由它代替構(gòu)件的幾何尺寸來進行穩(wěn)定性分析,其中定義計算長度與幾何長度的比值作為計算長度系數(shù),通過穩(wěn)定系數(shù)來考慮截面的不同尺寸、形式和加工條件等。隨著轉(zhuǎn)動剛度的增加,計算長度的增幅減小,柱腳為鉸接的剛架受到的影響會比較大,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,相互約束相對減弱,使得結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定承載力減小。

節(jié)點的半剛性并不影響結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形式,柱腳鉸接時一般會發(fā)生有側(cè)移的極值點失穩(wěn);當柱腳剛接時,剛架的失穩(wěn)形式除了可能發(fā)生有側(cè)移的極值點失穩(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)點的剛度變小,類似于梁簡支在柱上面,在豎向荷載作用下,斜梁頂部的豎向位移過大,從而導致荷載達到極限承載力時,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外已發(fā)展多年并且取得了優(yōu)異的成績,但是在我國進行研究的起步較晚,成果也相對比較匱乏,門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)點域柱腹板等來共同承擔,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產(chǎn)生變形,從而使節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度有所降低,端板連接的轉(zhuǎn)動剛度也與端板尺寸、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)系并不是簡單的線性關(guān)系而是具有非線性的特性。

門式剛架端板連接處的轉(zhuǎn)動剛度主要決定于節(jié)點彎矩與轉(zhuǎn)角的相互關(guān)系,但是在實際工程中,由于連接形式、材料差異及施工水平高低等因素的影響,很難形成一個統(tǒng)一的公式來度量轉(zhuǎn)動剛度的大小。目前,比較成熟的一些研究都是基于試驗數(shù)據(jù),通過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)點初始剛度來表述,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對M—θ曲線進行逼近。但還是存在準確度不高的缺點,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,無法很好的應用于實際工程。

2.2 多項式模型

線性模型用于描述連接特性過于簡單,許多研究學者另辟蹊徑尋找其他的途徑,在大量試驗研究的基礎(chǔ)之上,有人提出了多項式模型,這是一種全新的方法,先通過試驗得到大量的有用試驗數(shù)據(jù),然后將這些試驗數(shù)據(jù)加以整理,通過一些數(shù)學方法與曲線擬合軟件擬合成一條曲線。模型中 M—θ曲線是由一個奇次方的多項式來表示的,故又稱為奇次方多項式模型。

其中,參數(shù)K的取值與節(jié)點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,確實有很大的改進,在整個加載范圍內(nèi)不是用單一的直線來模擬連接特性,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式形式,在通過多項式的極值點后曲線會呈現(xiàn)下降的形態(tài),此時曲線的斜率則為非正數(shù)。但這是與實際不符合的,在實際中轉(zhuǎn)動剛度一定是正值而非負值,因為在曲線圖中,連接的轉(zhuǎn)動剛度是由曲線圖的斜率來表示的,基于上述原因,該模型雖能解決一部分問題,但還存在較大的問題,在實際應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的。在試驗中根據(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數(shù)據(jù)。然后利用三次 β樣條曲線對所測得的試驗數(shù)據(jù)進行曲線模擬,在擬合過程中的關(guān)鍵措施是保證交點處的數(shù)據(jù)一階、二階可導并且是連續(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數(shù)據(jù)做支撐,而且試驗數(shù)據(jù)質(zhì)量也會影響到模擬的效果,所以這種方法對試驗的要求很高。要想得到好的效果曲線,必須做大量的試驗且保證獲得的數(shù)據(jù)有較高的精確度,能反映真實的連接特性。

2.4 強化雙線性節(jié)點模型

我國的學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化雙線性節(jié)點模型。其特點是改進了以往的模型在結(jié)構(gòu)計算中不方便的缺陷,而且能對節(jié)點影響進行定量與定性分析。與該模型對應的試驗加載過程如下：對某一節(jié)點施加彎矩荷載,與荷載對應能得到一轉(zhuǎn)角θ,由施加荷載及與之對應的轉(zhuǎn)角能作出 M—θ(彎矩—轉(zhuǎn)角)關(guān)系曲線圖(如圖 2所示)。當節(jié)點快達到屈服極限時,對其卸載再進行加載,由圖 2可知,此時的節(jié)點剛度等于初始剛度,于是可以假設(shè)在節(jié)點區(qū)域處于彈性階段的時候,用初始剛度來表示節(jié)點的半剛性是合適的。當節(jié)點彎矩值達到 0.8Mu時,節(jié)點的非線性明顯增大,可以用 Mf來表示節(jié)點進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,取 Mf=1/40K0。

3 結(jié)語

本文主要講述了門式剛架半剛性節(jié)點的一些基本理論,為以后所進行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工作做好了理論鋪墊。通過以上分析可以得出,盡管國內(nèi)外學者針對半剛性連接的性能分析進行了大量的實驗和有限元分析,但是對于半剛性節(jié)點的探討仍然處于初步階段,雖然國內(nèi)外都在對半剛性連接的性能進行研究,但至今所有的資料都只是給了一些設(shè)計的指導原則,并沒有給出能被工程技術(shù)人員方便、簡潔地應用到實際工程的方法。半剛性連接節(jié)點的抗火性能至今還沒有進行過相關(guān)的實驗研究。

從以上分析可以得出,采用半剛性連接可以更貼近實際情況,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,使結(jié)構(gòu)連接費用減少,從而節(jié)省工程的總投資,節(jié)約工程造價?？梢姲雱傂赃B接無論是在經(jīng)濟上還是在技術(shù)上都具有廣泛的應用前景。當然,它還在不斷地豐富與進展,針對它的試驗還在繼續(xù),能直接應用于實際工程中的具體量化設(shè)計方法還需進一步的研究。隨著我國經(jīng)濟水平和建筑技術(shù)的不斷發(fā)展進步,半剛性連接鋼框架在我國將會有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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

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

[3]顧 強,周敏輝.楔形變截面門式剛架的設(shè)計(1)[J].西安建筑科技大學學報,1998(3)：51-52.

[4]程顯鋒,馬心俐.半剛性節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度及其影響[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,河北工程大學土木工程學院碩士研究生,河北邯鄲 056038