杜高鵬

摘要：在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，節(jié)點設(shè)計是結(jié)構(gòu)安全的重點項之一，節(jié)點設(shè)計會影響到桿件的內(nèi)力分布，鋼結(jié)構(gòu)在連接處一旦發(fā)生破壞，就會影響到結(jié)構(gòu)的整體受力性能，甚至失去承載力。傳統(tǒng)設(shè)計中，人們?yōu)榱撕喕跐M足一定構(gòu)造要求的情況下，將節(jié)點只進行剛接和鉸接兩個極端區(qū)分。這樣雖然大大簡化的分析和設(shè)計過程，但在實際工程中，經(jīng)常會有非常規(guī)的節(jié)點連接方式，此時就無法按標準節(jié)點圖集來判斷節(jié)點的剛度能否達到剛接效果，有時即便是標準節(jié)點做法，也會因尺寸原因使得節(jié)點實際受力和簡化不一致。相關(guān)規(guī)范及圖集中給出的節(jié)點做法一般是剛性節(jié)點和鉸接節(jié)點，很多時候節(jié)點往往是半剛性的，由于半剛性節(jié)點有太多不確定因素，較難用一些理論公式進行計算，本文借助有限元分析軟件對半剛性節(jié)點剛度的確定提出了一種計算方法。

Abstract： In the design of steel structures， joint design is one of the key items of structural safety. The design of joints will affect the internal force distribution of the members. Once the steel structure is damaged at the connection， it will affect the overall mechanical performance of the structure， or even lose capacity. In the traditional design， for simplicity， people only distinguish the two extremes of rigid connection and articulation when meeting certain structural requirements. Although this greatly simplifies the analysis and design process， in actual engineering， there are often unconventional node connection methods， and at this time， it is impossible to judge whether the stiffness of the node can achieve the just-connected effect according to the standard node atlas， and sometimes even the the standard node practice will also make the node's actual stress and simplification inconsistent due to size reasons. The joint practices given in the relevant specifications and atlases are generally rigid nodes and articulated nodes. In many cases， nodes are often semi-rigid. Because semi-rigid nodes have too many uncertain factors， it is difficult to calculate them with some theoretical formulas. This paper proposes a calculation method for determining the stiffness of semi-rigid nodes with the help of finite element analysis software.

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);節(jié)點設(shè)計;有限元分析;半剛性節(jié)點;節(jié)點剛度

Key words： steel structure;joint design;finite element analysis;semi-rigid joint;joint stiffness

中圖分類號：TU391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）05-0210-03

1? 當前設(shè)計現(xiàn)狀

鋼結(jié)構(gòu)的連接方法有：焊縫連接、螺栓連接和鉚釘連接。

焊縫連接不削弱構(gòu)件截面，節(jié)約鋼材，構(gòu)造簡單，制造方便，連接剛度大，密封性能好，在一定條件下易于采用自動化作業(yè)，生產(chǎn)效率高，常用于剛接做法。我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準中指出剛性連接應(yīng)符合受力過程中梁柱間交角不變的假定。

螺栓連接方便模塊化施工，方便安裝容易拆卸，可使材料循環(huán)利用，可用于設(shè)計鉸接節(jié)點以滿足結(jié)構(gòu)的受力需求。梁與柱鉸接時，應(yīng)使連接具有充分的轉(zhuǎn)動能力，且能有效的傳遞橫向剪力和軸心力。

鉚釘連接常用于將厚度較薄的鋼板聯(lián)接到一起，一般不可拆卸。鉚接工藝簡單、聯(lián)接可靠、抗振、耐沖擊。一般也屬于鉸接做法。

傳統(tǒng)設(shè)計中，在滿足一定構(gòu)造要求的情況下，常將節(jié)點只進行剛接和鉸接兩個極端區(qū)分，但對于一些特殊節(jié)點則需要進行進一步分析，如果仍這樣簡化往往會使計算結(jié)果失真，使結(jié)構(gòu)存在安全隱患。在實際工程中，會有非常規(guī)的節(jié)點連接方式，此時較難判斷是否能達到剛接效果，例如鋼型材焊接到埋板上時節(jié)點剛度、不等截面之間T型焊接等，很多時候這些節(jié)點屬于半剛接，有一定的轉(zhuǎn)動能力和傳遞彎矩能力，此時兩種極端簡化就會有太大誤差。

2? 本文的主要工作

我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準在條文說明中指出：“半剛性連接的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系較為復(fù)雜，它隨連接形式、構(gòu)造細節(jié)的不同而異。進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，這種連接形式的實驗數(shù)據(jù)或設(shè)計資料必須滿足以提供較為準確的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系”。規(guī)范并沒有對節(jié)點剛度的定量計算給出規(guī)定。半剛性產(chǎn)生的原因有：①板件的平面外彎曲變形，例如小截面型材與大截面矩形管T形焊接節(jié)點處受彎時大截面管壁的鼓起或凹陷;②板材平面內(nèi)剪切變形，例如H型鋼橫梁和腹板寬厚比較大的H型鋼立柱T形焊接時節(jié)點區(qū)腹板剪切變形; ③承壓型螺栓在孔隙所能吸收的扭轉(zhuǎn)變形達到最大后孔壁承壓產(chǎn)生的半剛性連接。采用有限元軟件對這三種情況進行分析計算，繪制出M-K曲線，提出一種節(jié)點剛度定量計算的方法，供設(shè)計者參考。

3? 半剛性節(jié)點的節(jié)點剛度計算

半剛性節(jié)點傳力較復(fù)雜，難以手動計算節(jié)點轉(zhuǎn)角與彎矩之間關(guān)系，因此借助有限元分析軟件合理設(shè)置進行模擬。下文分別對不等截面矩形鋼T形對接焊、H型鋼T型對接焊和承壓螺栓連接三種連接方式的節(jié)點剛度進行舉例計算。

節(jié)點剛度的計算公式為：K=M/θ（1）

其中θ為根部轉(zhuǎn)角，M為根部彎矩。

3.1 不等截面T形對接焊節(jié)點剛度的計算

模型說明：如圖1所示，建立一個不等截面T形對接焊的模型，依次在F處施加0.5～4kN增量0.5kN的集中力，得到節(jié)點處8個不同的彎矩M1～M8以及橫向桿件端部的豎向撓度U1～U8。之后將橫向桿件根本完全固定，在次進行計算得到8個新的豎向撓度u1～u8。U與u之間的撓度差就是由于節(jié)點半剛性產(chǎn)生轉(zhuǎn)角造成的，如圖2。已知轉(zhuǎn)角大小和對應(yīng)彎矩即可求出節(jié)點剛度。

經(jīng)軟件計算可得表1中結(jié)果。

從表1可以看出，半剛性節(jié)點桿件豎向撓度較剛性節(jié)點大很多，從圖3可以看出，在拐點處材料由彈性進入彈塑性，節(jié)點剛度隨荷載加大而降低。

3.2 H型鋼T形對接焊節(jié)點剛度的計算

模型說明：如圖4所示，建立一個H型鋼T形對接焊的模型，依次在F處施加10～150kN增量20kN的集中力，得到8個撓度和彎矩，之后將節(jié)點區(qū)的鋼板換做剛性材料消除節(jié)點區(qū)變形，再次進行計算得到8個撓度，用同1中的方法得到節(jié)點剛度，經(jīng)軟件計算可得表2中結(jié)果和圖6所示的荷載和剛度曲線。

從表2可以看出，按標準剛接節(jié)點設(shè)計時，在彈性階段節(jié)點區(qū)的變形對桿件的撓度產(chǎn)生的影響不大，且節(jié)點剛度保持不變，但能反映出節(jié)點區(qū)變形對桿件撓度的影響是存在的，尤其當節(jié)點區(qū)較細長時，節(jié)點區(qū)的剪切變形就更不能忽略。從圖5可以看出，節(jié)點區(qū)的應(yīng)力與梁端的應(yīng)力相當，且高應(yīng)力區(qū)所占區(qū)域比較大。在進行節(jié)點設(shè)計時需要注意此類節(jié)點的節(jié)點剛度及節(jié)點區(qū)強度。

3.3 承壓型螺栓連接的計算剛度計算

模型簡化說明： 建立一個端部栓接的懸挑梁，如圖7。栓接實現(xiàn)鉸接受力的一部分原因是螺栓孔隙的存在，螺栓孔隙能吸收的最大轉(zhuǎn)角可以通過幾何計算得出，之后如果仍繼續(xù)變形，則會傳遞彎矩，模型中只考慮開始傳遞彎矩時的節(jié)點剛度。經(jīng)軟件計算可得表3結(jié)果。

從表3可以看出，兩端部發(fā)生轉(zhuǎn)動時，采用此種連接方式在螺栓空隙被充分吸收之后節(jié)點開始傳遞彎矩，但由于鋼梁腹板和夾持耳板均比較薄，會有孔壁承壓變形及水平方向腹板沿螺栓剪力方向的剪切變形，使得節(jié)點剛度比較小?？梢姶藭r按鉸接計算并不會有太大誤差。但當腹板和加持耳板比較厚，螺栓多列布置時節(jié)點剛度會較此時偏大，在實際應(yīng)用中，如果梁端部的轉(zhuǎn)角超出了螺栓孔隙能吸收的上限，此時尚須注意之后的變形中節(jié)點剛度的影響。

4? 結(jié)論

通過對以上三種節(jié)點的剛度計算可總結(jié)出如下結(jié)論：

①類似H型鋼T形焊接的標準剛接節(jié)點，節(jié)點區(qū)以板件的剪切變形為主時，節(jié)點剛度往往比較大，可以較好的實現(xiàn)剛接效果，但節(jié)點區(qū)剪切變形對桿件內(nèi)力的影響是存在的，尤其是當節(jié)點區(qū)在垂直剪切變形方向比較細長時更不能忽視節(jié)點區(qū)變形影響。

②類似不等截面T形焊接變形以板件平面外彎曲變形為主時節(jié)點剛度往往比較小，無法達到剛接效果，甚至偏于鉸接。但可以通過在型材內(nèi)增加隔板使得平面外彎曲變形轉(zhuǎn)換為平面內(nèi)剪切變形增加節(jié)點剛度，或者增加肋板將荷載傳至腹板邊緣減小板件平面外彎曲變形來增加節(jié)點剛度。

③用螺栓連接時，當超過螺栓孔隙所能吸收的變形上限之后，節(jié)點就會由鉸接變?yōu)榘雱偨?，可傳遞部分彎矩，如果端部結(jié)構(gòu)對彎矩比較敏感，則需考慮轉(zhuǎn)角太大造成螺栓孔隙無法全部吸收而產(chǎn)生一部分彎矩的情況。當腹板和耳板的厚度較小時節(jié)點剛度會比較小，一般按鉸接簡化是可行的，但當板厚較厚時則需要考慮超過螺栓孔隙所能吸收的變形上限之后的節(jié)點剛度。

參考文獻：

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[2]GB50661-2011，鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[S].

[3]李星榮，魏才昂，秦斌，編著.鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點設(shè)計手冊[M].三版.