劉 偉 于海濤 姜 昊 張 雄 席 位

(吉林建筑大學土木工程學院，長春 130118)

0 引言

近年來地震頻發(fā)，特別是在我國接連幾年發(fā)生的兩次大地震造成了巨大的人身傷害及經(jīng)濟損失.為防止悲劇重演，必須對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能的要求進一步提高，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)計中，總是把鋼框架看成理想的鉸接或者剛接形式，而實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1994年和1995年的兩次大地震(美國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)點鋼框架大部分發(fā)生脆性破壞，引發(fā)了設(shè)計者們對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

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.

(1)節(jié)約鋼材.合理的調(diào)節(jié)半剛性節(jié)點的剛度，可有效地改變結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力分配，同時減小其峰值，從而可以充分利用鋼材，降低用鋼量，實現(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螺栓連接，可以實現(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)濟效益非常明顯.

圖1和圖2為一次實驗的滯回曲線.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高度小于梁高度的端板與梁進行焊接，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，并且對梁端不產(chǎn)生較大的約束彎矩;②頂角鋼僅用來保持側(cè)向穩(wěn)定，不能承受任何重力載荷.然而，已經(jīng)有實驗結(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，同時梁腹板也用兩個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短T型鋼作為連接件通過螺栓把梁、柱連接起來.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，當把這種連接形式與雙腹板角鋼組合使用時可當做剛性連接(圖3 g).

圖3 半剛性連接鋼框架常見結(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，利用梁柱理論對單跨單層半剛性連接鋼框架進行了彈性穩(wěn)定分析.

Frye和Morris (1975)將7種常用半剛性的M－θ關(guān)系用無量綱的多項式模型表示，通過迭代法近似確定了半剛性節(jié)點連接的非線性剛度，對半剛性連接鋼框架的彈性理論進行了分析研究;顧強[3]進行了腹板雙角鋼半剛性節(jié)點的梁端位移循環(huán)加載試驗，分析研究了此種連接形式的破壞機理和變形能力;李國強[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);王國兵[5]設(shè)計了雙腹板頂?shù)捉卿摪雱傂怨?jié)點的一品兩跨三層的鋼框架模型，進行了低周反復(fù)實驗，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]利用有限元軟件對半剛性鋼框架進行了動力性能分析，得出如果對半剛性鋼框架完全近似按鋼框架進行設(shè)計會造成較大的誤差，在進行設(shè)計時應(yīng)考慮節(jié)點柔性對結(jié)構(gòu)動力性能的影響;徐良偉[7]等人在假設(shè)的基礎(chǔ)上，通過引入螺旋彈簧剛度，利用簡支式等效單元模型，推導(dǎo)出了梁單元的彎矩轉(zhuǎn)角方程和修正轉(zhuǎn)動剛度，同時還將無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)計人員所應(yīng)用;王燕[8]利用M－θ三參數(shù)線性化模型，通過對各種連接類型的半剛性節(jié)點進行受力分析，推導(dǎo)出每種形式的半剛性連接節(jié)點在荷載作用下的內(nèi)力和線性初始剛度的計算公式;陳國棟和房貞政[9]對半剛性鋼框架進行了二階彈性分析，論證了我國現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范提供的P－Δ效應(yīng)簡化方法不能適用于半剛性鋼框架的設(shè)計;向芳和舒興平[10]對上下翼緣采用角鋼連接的半剛接節(jié)點進行了極限承載力分析;溫柔[11]通過有限元分析了頂?shù)捉卿摪雱傂怨?jié)點的破壞機理，以及頂?shù)捉卿摵穸?、梁高、螺栓直接、摩擦系?shù)、預(yù)拉力對結(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)捉卿摵穸取⒘焊?、頂?shù)捉卿撻L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

綜合當前對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現(xiàn)“強柱弱梁”的抗震設(shè)計原則;

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

(3)目前，對于半剛性連接鋼框架的研究大部分停留在對變形、破壞形式、動靜受力性能方面，而對于抗震性能理論研究及實驗研究甚少，對抗震性能的研究急待加強;

(4)由于半剛性連接鋼框架的非線性性質(zhì)，因此對半剛性鋼框架的動靜力分析應(yīng)更加深入.近年來，隨著我國鋼材產(chǎn)量的不斷增大、國家對鋼結(jié)構(gòu)建筑的政策引導(dǎo)及國家對住宅產(chǎn)業(yè)化的要求，鋼結(jié)構(gòu)框架體系必將越來越得到廣泛的應(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，在未來的房屋抗震體系當中也必將發(fā)揮重大作用.

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[3]顧 強.腹板雙角鋼梁柱連接循環(huán)荷載實驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2003，24(6):31－35.

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[5]王國兵.半剛性鋼框架抗震性能的實驗研究[D].山東:山東科技大學，2007.

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

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