Analysis on the Influence of the Nodes Rigidity to the Stress Performance of Steel Frame

黃 劍1,趙滇生2HUANG Jian, ZHAO Diansheng（1.浙江壯華裝潢有限公司，浙江義烏322018；2.浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州310014）

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節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)鋼框架受力性能的影響分析

Analysis on the Influence of the Nodes Rigidity to the Stress Performance of Steel Frame

黃 劍1,趙滇生2
HUANG Jian, ZHAO Diansheng
（1.浙江壯華裝潢有限公司，浙江義烏322018；2.浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州310014）

摘 要：編制半剛接鋼框架計(jì)算程序，通過典型算例的計(jì)算分析，討論了節(jié)點(diǎn)剛度變化對(duì)鋼框架受力性能的影響，計(jì)算程序的正確性由算例得以驗(yàn)證。從而為半剛接鋼架設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：鋼框架；節(jié)點(diǎn)剛度；半剛性；受力性能

1 概 述

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震試驗(yàn)結(jié)果分析表明：梁柱節(jié)點(diǎn)采用焊接剛性節(jié)點(diǎn)的鋼框架，因節(jié)點(diǎn)延性較差易發(fā)生脆性破壞，而端板連接等半剛接鋼框架節(jié)點(diǎn)則具有較強(qiáng)的耗能能力，有利于抵抗地震作用；同時(shí)，還可以減少斜撐和節(jié)點(diǎn)用鋼量［1-3］。

半剛性連接因彎矩-轉(zhuǎn)角為非線性關(guān)系，加上構(gòu)件的二階效應(yīng)決定了半剛接框架的荷載與位移、內(nèi)力的關(guān)系也是非線性，桿件的剛度矩陣和固端力均與剛性節(jié)點(diǎn)有所不同［4-6］。國(guó)內(nèi)外對(duì)半剛接鋼框架性能已展開許多研究，但鋼框架的分析設(shè)計(jì)仍多將梁柱連接簡(jiǎn)化為剛接或鉸接，原因是彎矩-轉(zhuǎn)角的非線性關(guān)系的復(fù)雜性，以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的復(fù)雜性［7］。

鑒于半剛性連接的復(fù)雜性和多樣性，規(guī)范對(duì)半剛接鋼框架有詳細(xì)設(shè)計(jì)規(guī)定的國(guó)家并不多，我國(guó)現(xiàn)行的《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ 99—98）》中尚無相關(guān)規(guī)定；現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50017—2003）》中規(guī)定對(duì)半剛接鋼框架內(nèi)力分析時(shí)必須預(yù)先確定連接的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線，以考慮連接變形的影響，但實(shí)際分析卻存在一定的困難。因此有必要研究節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)鋼框架變形及內(nèi)力分布的影響，以便在鋼框架設(shè)計(jì)時(shí)給予考慮。

2 計(jì)算分析

本文運(yùn)用自編半剛性鋼框架計(jì)算程序分析典型算例，討論節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)框架的位移、內(nèi)力和變形之影響，程序的正確性由算例得以驗(yàn)證。

2.1 節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)鋼框架節(jié)點(diǎn)位移和內(nèi)力的影響分析

取算例1為一單跨兩層的半剛性節(jié)點(diǎn)連接鋼框架。節(jié)點(diǎn)和單元編號(hào)及荷載設(shè)計(jì)值見圖1。柱截面均采用HZ220×110，梁⑤截面采用HZ240×120，梁⑥截面采用HZ200×100。L = 6.0 m，H = 4.0 m。梁柱連接采用典型的端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)柔度α= 2EI/（K0L）= 0.1，EI/L為梁的線剛度，K0為節(jié)點(diǎn)的連接剛度。

2.1.1 節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)框架節(jié)點(diǎn)位移的影響

利用半剛性鋼框架計(jì)算程序分析圖1所示鋼框架算例，得到節(jié)點(diǎn)水平位移、豎向位移和轉(zhuǎn)角（圖2）。轉(zhuǎn)角不包括梁端半剛性連接產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)角。

圖1 單跨兩層半剛接鋼框架算例

圖2 節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)框架節(jié)點(diǎn)位移的影響

從圖2可見，半剛接框架比剛接框架的節(jié)點(diǎn)水平側(cè)移明顯增大，一層節(jié)點(diǎn)水平側(cè)移增大33%左右，二層節(jié)點(diǎn)水平側(cè)移增大35%左右，說明節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)框架的水平位移影響明顯；但兩種框架的節(jié)點(diǎn)豎向位移十分接近，說明節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)框架的節(jié)點(diǎn)豎向位移幾乎沒有影響，這與節(jié)點(diǎn)半剛性所引起的單元軸力變化相對(duì)很小一致。節(jié)點(diǎn)半剛性對(duì)框架節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角的影響比較復(fù)雜，左柱的3和5節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角基本沒影響，而右柱的4和6節(jié)點(diǎn)則影響較大，轉(zhuǎn)角都增大。這是因?yàn)樗搅Ξa(chǎn)生的梁柱相對(duì)轉(zhuǎn)角與豎向荷載產(chǎn)生的梁柱相對(duì)轉(zhuǎn)角在左柱和右柱分別是抵消和疊加的關(guān)系所致。

2.1.2 節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)框架內(nèi)力的影響

分析得到各梁柱單元的彎矩、軸力和剪力見圖3。

分析圖3可知，半剛性框架與剛接框架相比，桿件端彎矩的影響明顯，柱①下端彎矩略有降低，柱②下端彎矩卻增大，柱③和④的下端彎矩均降低；柱①、②、③和④上端彎矩則均有降低，這與節(jié)點(diǎn)柔性引起梁端彎矩下降相一致。柱軸力變化很小，梁軸力變化稍大，但相對(duì)于梁的強(qiáng)度和剛度來講，其變化依然很??；柱端剪力變化較大，梁端剪力基本不變，這與受力狀態(tài)直接相關(guān)，且與梁和柱軸力的變化相對(duì)應(yīng)。

2.2 節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)框架變形的影響

取算例2為一單跨單層的半剛接鋼框架，節(jié)點(diǎn)和單元編號(hào)、荷載設(shè)計(jì)值見圖4。柱截面采用HZ220×110，截面性質(zhì)：EAc= 0.688×106kN，EIc= 5.71×103kN·m2；梁截面采用HZ200×100，截面性質(zhì)：EAb= 0.587×106kN，EIb= 4.0× 103kN·m2。L = 6 m，H = 4.5 m。梁柱節(jié)點(diǎn)連接形式與算例1相同。

為便于比較節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)框架節(jié)點(diǎn)向水平側(cè)向位移和梁撓度，取半剛接與剛接框架的節(jié)點(diǎn)側(cè)移或梁撓度比λ= vb/vg，vb、vg分別為半剛接、剛接框架的節(jié)點(diǎn)水平側(cè)移值或梁跨中撓度值。

2.2.1 節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)框架撓度和水平側(cè)移的影響

取不同的節(jié)點(diǎn)柔度系數(shù)，分析算例2在圖4a）的豎向荷載作用下的半剛性節(jié)點(diǎn)與剛性節(jié)點(diǎn)框架的梁跨度中點(diǎn)4的撓度比λv；再分析算例2在圖4b）的水平荷載作用下的半剛性節(jié)點(diǎn)與剛性節(jié)點(diǎn)框架的節(jié)點(diǎn)3或5水平側(cè)移比λh?？紤]材料為線彈性，分析結(jié)果見圖5。

圖3 節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)框架桿件內(nèi)力影響

圖4 算例2計(jì)算模型

圖5 節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)框架撓度和水平側(cè)移影響

由圖5可知，在豎向載荷作用下，節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)梁跨中撓度的影響較大。隨著節(jié)點(diǎn)柔度系數(shù)α的增大，跨中撓度增加很快，但框架節(jié)點(diǎn)水平側(cè)移變化則不大；在水平荷載作用下，節(jié)點(diǎn)柔度系數(shù)α對(duì)框架水平側(cè)移影響較大，但對(duì)框架梁的跨中撓度影響則不明顯。節(jié)點(diǎn)連接柔度系數(shù)α愈小，即節(jié)點(diǎn)連接剛度愈大，半剛接分析數(shù)據(jù)愈接近剛架計(jì)算程序的結(jié)果，α= 0時(shí)，兩者計(jì)算結(jié)果一致，從而間接驗(yàn)證了本文半剛接鋼框架分析程序的正確性。

2.2.2 節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)不同跨度框架梁撓度和側(cè)移的影響

再取圖4算例2，分別取節(jié)點(diǎn)柔度系數(shù)α= 0.1，區(qū)分柱腳為剛接和鉸接，分別分析在豎向荷載作用下，節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)不同跨度框架梁跨度中點(diǎn)的撓度的影響，以及在水平荷載作用下，節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)不同跨度框架的水平位移的影響。結(jié)果見表1。

表1 半剛性節(jié)點(diǎn)與剛性節(jié)點(diǎn)框架側(cè)移比和梁跨中撓度比與框架跨度的關(guān)系

分析表1可知，跨度對(duì)柱腳鉸接框架的水平側(cè)移有明顯的影響，對(duì)柱腳剛接框架的水平側(cè)移影響較??；框架跨度增大，節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)框架變形的影響減小。柱腳剛接框架，跨度大的框架梁的線剛度下降，則節(jié)點(diǎn)剛度相對(duì)增大，也就更接近剛性連接，故側(cè)移變小；但柱腳鉸接框架則相反，隨著跨度的增大，控制側(cè)移的梁線剛度變小，對(duì)節(jié)點(diǎn)側(cè)移約束減小，故側(cè)移反而增大?？缍葘?duì)柱腳剛接和鉸接框架梁跨中撓度的影響均不大?？蚣芰嚎缰袚隙扰c梁的剛度、節(jié)點(diǎn)剛度及柱剛度都有關(guān)。隨著跨度的增大，節(jié)點(diǎn)剛度及梁剛度對(duì)框架梁撓度影響逐漸減弱，梁撓度增大；但當(dāng)跨度繼續(xù)增大時(shí)，則框架梁相對(duì)細(xì)長(zhǎng)，抗彎線剛度變小，因而節(jié)點(diǎn)剛度相對(duì)增大，就更接近剛性連接，因而算出結(jié)果又趨向于剛接，柱腳剛性和鉸接的框架都具有這一規(guī)律。

3 結(jié) 語

半剛性節(jié)點(diǎn)和剛性節(jié)點(diǎn)的框架受力對(duì)比分析表明，節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)鋼框架受力性能具有多方面影響，這與文獻(xiàn)［8］和［9］的試驗(yàn)研究結(jié)論相一致。

1）節(jié)點(diǎn)連接剛度對(duì)梁端彎矩、柱上下兩端彎矩和柱剪力影響均較明顯，但對(duì)柱軸力影響很??；

2）節(jié)點(diǎn)連接剛度對(duì)節(jié)點(diǎn)側(cè)移、節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角影響比較大，對(duì)節(jié)點(diǎn)豎向位移影響較?。?/p>

3）在豎向載荷作用下，節(jié)點(diǎn)連接剛度對(duì)框架梁跨中撓度影響較大，而在水平載荷作用下的影響則很小。

參考文獻(xiàn)

［1］Astaneb-Asl A.Seismic performance and design of bolted steel moment-resisting frames［J］.Engineering Journal，1999，36（3）：100-120.

［2］Baharri R，Sherburne N.Finite element prediction of end plate bolted connection behavior II：Analytic formulation［J］.Journal of Structure Engineering，1997（2）：157-175.

［3］關(guān)巧英.端板半剛性連接鋼框架在周期荷載作用下的抗震性能分析［D］.青島：山東科技大學(xué)，2011.

［4］方壘，徐偉良.門式剛架端板連接節(jié)點(diǎn)半剛性的非線性有限元分析［J］.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（4）：451-455.

［5］張上.半剛性框架節(jié)點(diǎn)性能研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2009.

［6］許建勛.鋼框架節(jié)點(diǎn)受力性能及其對(duì)框架受力性能影響研究［D］.杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2002.

［7］王靜峰，李國(guó)強(qiáng)，劉清平.豎向荷載下半剛性連接組合框架梁的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2006（12）：9-17.

［8］李國(guó)強(qiáng)，王靜峰，劉清平.豎向荷載下足尺半剛性連接組合框架試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2006（7）：43-51.

［9］李國(guó)強(qiáng)，劉清平，王靜峰.水平荷載作用下足尺半剛性連接組合梁框架試驗(yàn)［J］.土木工程學(xué)院報(bào)，2007（12）：8-16.

中圖分類號(hào)：TU391、TU328

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-3707（2016）02-0011-04

收稿日期：2015-08-19

作者簡(jiǎn)介：黃 劍（1959—），男，浙江義烏人，工程師，從事建筑結(jié)構(gòu)與裝修工程工作。