劉偉 王光云 李大鵬

(吉林建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春130118)

0 引言

由于20世紀(jì)60年代末到70年代初，鋼框架結(jié)構(gòu)梁與柱的節(jié)點(diǎn)連接形式通常由栓接轉(zhuǎn)向栓焊或焊接.然而，在1994年美國的Northridge(北嶺)地震(里氏6.7級)［1-3］與1995年的日本阪神地震(里氏7.2級)［4］中，曾經(jīng)被人們一致認(rèn)為焊接梁柱節(jié)點(diǎn)具有良好抗震性能，在震后卻出現(xiàn)不同程度大范圍的節(jié)點(diǎn)脆性破壞，特別是梁與柱翼緣連接處的焊縫區(qū)，大多節(jié)點(diǎn)在很低的塑性水平下出現(xiàn)了脆性斷裂，幾乎失去承載力.從而說明節(jié)點(diǎn)的脆性破壞是焊接連接存在的缺陷.

為了避免對鋼框架結(jié)構(gòu)梁柱連接在地震中出現(xiàn)脆性破壞，對此研究至關(guān)重要，隨之許多新型的節(jié)點(diǎn)形式相繼提出.在大量的工程實(shí)踐中，鋼框架梁柱連接半剛性節(jié)點(diǎn)脫穎而出，既可以傳遞彎矩，又能在梁柱之間產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)角，這正是處于傳統(tǒng)鉸接節(jié)點(diǎn)與完全剛接節(jié)點(diǎn)所與眾不同之處.所以，對鋼框架梁柱連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能的研究有著重要的理論價值和工程應(yīng)用意義.

1 半剛性連接的類型

鋼框架梁柱連接形式不同，節(jié)點(diǎn)性能各異.根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剛度性能的不同，可將梁柱節(jié)點(diǎn)連接分為剛性、半剛性以及柔性3種類型.經(jīng)實(shí)踐表明，焊接剛性節(jié)點(diǎn)延性差，易發(fā)生脆性破壞;柔性連接節(jié)點(diǎn)剛度、耗能性差對抗震不利;半剛性連接是鋼框架中特有的連接形式，主要通過螺栓和連接件把梁與柱連接起來.由于連接件的多樣和連接位置的變化，半剛性連接主要有以下幾種類型.

1.1 腹板雙角鋼連接

把兩個角鋼用焊接或者栓接形式連接在柱上以及到梁的腹板上，如圖1(a).這種連接所承受的彎矩約是梁工作荷載下20%的全固端彎矩，同時也會由于梁的增高而加大.在AISC-ASD規(guī)范(1989)將這類節(jié)點(diǎn)稱為簡支連接或剪力連接.

1.2 矮端板連接

矮端板連接是由比梁高度小的端板長用焊接與梁相連，用螺栓與柱相連如圖1(b)，這種節(jié)點(diǎn)連接的彎矩-轉(zhuǎn)角特性與腹板雙角鋼連接相似，所以矮端板連接主要還是用于將梁的反力傳到柱上.

1.3 頂?shù)捉卿撨B接

用兩個角鋼在梁的上、下翼緣處分別于梁和柱的翼緣相連接，如圖1(c)是最典型的頂?shù)捉卿撨B接.經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果可知［5］，這類連接可以抵抗一些梁端彎矩，在循環(huán)荷載的作用下性能穩(wěn)定，具有有效的耗能性.

1.4 帶雙腹板角鋼的頂?shù)捉卿撨B接

這個連接就是把雙角腹板連接和頂?shù)捉卿撨B接組合在一起，如圖1(d)所示.此連接是典型的半剛性連接［6］.

1.5 外伸(或平齊)端板連接

如圖1(e)端板連接可分為外伸短板連接和平齊端板連接兩種形式.端板伸出梁的翼緣高強(qiáng)螺栓集中在翼緣周圍為外伸式，同理設(shè)在兩翼緣之間為平齊式，此類連接剛度較大.據(jù)試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為［7］，端板厚度(宜取比柱翼緣厚度4 mm～6 mm)對連接延性有提高，防止脆性破壞.

1.6 T型鋼連接

由上、下翼緣處的兩個短T型鋼，同通常高強(qiáng)螺栓與柱和梁相連，如圖1(f)此連接是最剛勁的半剛性連接.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知［8-10］，T型鋼翼緣厚度、腹板厚度的變化對整個節(jié)點(diǎn)的初始剛度和承載能力都有較大影響.

圖1 常用的半剛性連接類型

2 半剛性連接的受力特性

梁柱節(jié)點(diǎn)是連接梁與柱且傳遞的是一組廣義力，包括剪力、軸力、彎矩、扭矩，由于在側(cè)向設(shè)置支撐扭矩則可忽略，還與轉(zhuǎn)動變形相比的剪力和軸向變形就很小了，也可忽略不計(jì).目前，從使用角度來看只需研究彎矩的傳遞.梁柱連接處彎矩M和梁柱相對轉(zhuǎn)動角θ之間的關(guān)系用M－θ表示，如圖2所示.

圖2 連接彎矩M－θ轉(zhuǎn)角的約束關(guān)系

(1)從圖2來看，所有的半剛性連接都應(yīng)屬于非線性的;

(2)所在豎直軸表示的是完全剛性情況，水平軸則表示的是理想鉸接情況;

(3)當(dāng)彎矩相同時，半剛性連接的柔性越大，θ值則就越大;反之，當(dāng)θ值一定時，柔性變大時則彎矩會變小;

(4)所有半剛性連接當(dāng)傳遞最大彎矩時，會隨著柔性的連接減小.

在半剛性連接中，剛性太大，延性就差，易發(fā)生脆性破壞，剛性較低對結(jié)構(gòu)變形不利，所以從中腹板頂?shù)捉卿撨B接讓人更加關(guān)注，并具有明顯非線性特征，彎矩M會隨轉(zhuǎn)角θ的增加而緩慢增加.雙腹板頂?shù)捉卿摪雱傂赃B接在周期作用下初始剛度與構(gòu)件的初始特征有關(guān).

3 鑄鋼件半剛性連接節(jié)點(diǎn)的滯回關(guān)系

目前，我國鑄件節(jié)點(diǎn)在大跨度空間中得到廣泛應(yīng)用，鑄鋼節(jié)點(diǎn)連接隨鑄造技術(shù)和材料性能的提高也不斷地完善.圖3是鑄鋼件有限元模型.

圖3 鑄鋼件有限元模型

半剛性連接節(jié)點(diǎn)的滯回關(guān)系是指在加載到卸載然后再加載的反復(fù)過程中的約束關(guān)系.如圖4所示，Ms為連接的初始屈服彎矩，Mp為連接的塑性彎矩，k0為連接的初始剛度，kp為連接的強(qiáng)化剛度.梁柱半剛性連接卸載時的約束剛度與初始剛度相等.

圖4 半剛性連接的滯回關(guān)系

目前在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，抗震性能的好壞決定了結(jié)構(gòu)應(yīng)用的深度與廣度.在罕遇的地震作用下，結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)相當(dāng)大的塑性變形，呈現(xiàn)較大的滯回曲線特征，使地震響應(yīng)比較復(fù)雜.而對于節(jié)點(diǎn)的抗震性能，目前主要的研究方法是采用循環(huán)加載，分析節(jié)點(diǎn)的滯回曲線計(jì)算各種抗震性能指標(biāo)，進(jìn)而判斷節(jié)點(diǎn)的抗震好壞，并通過抗震概念設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn).

4 結(jié)論

大量研究表明，半剛性節(jié)點(diǎn)具有良好的耗能抗震能力和塑性變形能力，再加上安裝制作簡便，所以應(yīng)用越來越廣泛.但對帶雙腹板頂角鋼半剛性連接進(jìn)行非線性分析時，半剛性節(jié)點(diǎn)連接組合中，螺栓孔、螺栓、連件之間承壓接觸引起應(yīng)力和應(yīng)變集中等復(fù)雜情況，仍存在很多問題，有待對半剛性節(jié)點(diǎn)做更進(jìn)一步研究.

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［3］Whittaker A.，Gilani A.＆Bertero V.Evaluation of Pre-Northridge Steel Moment-Resisting Frame Joints［J］.The Structural Design of Tall Buildings，1998(7):263-283.

［4］Architectural Institute of Japan.Reconnaissance Report on Damage to Steel Building Structures Observed from the 1995 Hyogoken-Nanhu(Hanshin/Awaji)Earthquake［R］.May，1995.

［5］王新武，孫犁.鋼框架半剛性連接性能研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2002(11):35-38.

［6］陳惠發(fā)，周綏平.鋼框架穩(wěn)定設(shè)計(jì)［M］.上海:世界圖書出版公司，2001:265-268.

［7］王燕.多高層鋼框架梁柱半剛性連接性能［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2009，30(9):18-20.

［8］申成軍，陳元明，高福聚.鋼框架梁柱T型鋼連接滯回性能分析［J］.工業(yè)建筑，2007(增刊):1257-1262.

［9］何瓊芳.T型鋼半剛性連接空間鋼框架彈塑性分析與二階簡化計(jì)算［D］.長沙:湖南大學(xué)，2007.

［10］宋曉光，申成軍，郭兵.鋼框架梁柱T型鋼連接滯回性能的研究［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2008，10(4):18-25.