水平荷載作用下半剛性連接組合梁鋼框架設計

巢滄海 劉秀華

0 引言

傳統的結構設計方法中[1]，將節點假定為鉸接或剛接，節點特性直接融入結構分析中，節點設計根據結構分析對節點所作的假定(鉸接還是剛接)作為設計的最后一步來完成。雖然所有框架梁柱節點實際上都是半剛性的，不存在理論上的鉸接或剛接，但以往的規范總是采用剛接或鉸接的假定進行結構設計。實際上對于低層建筑不需設置水平支撐而框架本身就能提供足夠的水平抗力以抵抗風荷載的作用，半剛性節點所具有的轉動剛度使之能對結構中的彎矩分布進行優化，從而優化重力荷載及彎矩分布，采用半剛性節點可使鋼框架結構更有效、更經濟。

1 半剛性連接組合梁框架設計步驟

結合我國GB 50017-2003規范的內容，給出如下較為簡單實用的半剛性連接組合梁鋼框架設計建議。其設計步驟如下:

1)根據建筑布置，按豎向荷載組合考慮梁的承載能力初步設計節點，確定框架柱和鋼梁及組合梁的尺寸;2)根據初步確定的組合梁尺寸，求得梁的等效剛度，按王靜峰[4]建議的方法進行豎向荷載作用下框架的正常使用極限狀態及承載能力狀態的驗算。如不能滿足要求，重新調整構件尺寸及相應的節點剛度;3)框架側移驗算;4)框架整體結構極限水平承載力驗算;5)根據GB 50017-2003鋼結構設計規范[5]進行柱的極限承載力驗算;6)節點設計:根據所確定的梁、柱尺寸及相應的節點剛度和承載力，進行半剛性連接組合節點設計。

2 設計示例

某3層兩跨框架，跨度6 m，層高 3 m，荷載標準值為:恒荷載、活荷載分別為:30 kN/m及12 kN/m;柱頂恒載3層為15 kN，其余為 30 kN;風荷載、地震荷載1層為9 kN及 15 kN，2層為18 kN及15 kN，3層為 24 kN及10 kN。鋼材采用Q345B，螺栓10.9級M22，鋼—混凝土組合樓蓋，混凝土強度等級為C30，φ 19圓柱頭焊釘作連接件，采用平端板半剛性連接組合梁框架，試設計該框架。

1)初步確定框架梁采用HN300×150×6×10，柱采用HW250×250×9×14，柱腹板設有加勁肋，配筋率0.8%，壓型鋼板波高76 mm，波距344 mm，現澆75 mm厚混凝土，如圖 1所示，有關參數如表1所示。

表1 梁、柱有關參數

2)根據初步確定的組合梁尺寸，得 Ieq=2.428×108mm4，對于半剛性連接組合梁框架而言，取r=0.6～0.8比較經濟合理，在此取 r=0.7，得 ieq=4.49×103kN?m[6]。

采用底部剪力法對各樓層進行計算見表2。

FEK=Geqα1=1 293×0.04=51.7 kN 。

表2 底部剪力法的計算

根據表1，表2的有關參數，計算等效剛接框架的側移，見表3。

表3 等效剛接框架側移值

在風荷載及地震荷載作用下均滿足規范要求(見表3)。根據規范要求，判斷是否需考慮二階效應，其計算結果見表4。

表4 等效剛接框架二階效應

由計算結果可知本例不用考慮二階效應。

3)框架整體結構極限承載力驗算。

節點有關參數取值如下[6]:

計算半剛性連接組合梁框架的內功為:

外力所作功為:Wext=24×9+18×6+9×3=351＜Wint;

半剛性連接組合梁框架整體極限承載力滿足要求。

4)組合梁正彎矩承載能力驗算。

5)柱的極限承載力及穩定驗算。

邊柱總的軸向力為:N=604 kN;中柱總的軸向力為:N=1 040 kN。

同理可得邊柱強度亦能滿足要求。

穩定復核(中柱):φx=0.955，φy=0.890，N′EX=21 709 kN;

同理，邊柱亦能滿足要求。

6)節點設計:根據所確定的梁、柱尺寸及相應的節點剛度和承載力，半剛性組合梁、柱連接節點平端板采用200×14×330，節點構造見圖2。

進行半剛性連接組合梁框架組合節點有關參數計算，所選用的節點滿足剛度、彎矩承載能力及轉動能力的要求[6]。

表5 三層兩跨框架的經濟性比較

3 經濟評價

為了分析半剛性連接組合梁框架良好的經濟性，將上例分別按不同結構形式進行設計，在滿足相同要求的條件下，對其各自用鋼量進行比較見表5。

4 結語

通過分析可以得出以下結論:1)對于半剛性連接組合梁框架可以采用簡化設計方法進行設計;2)在水平荷載作用，滿足相同要求的條件下，半剛性連接組合梁框架比其他形式鋼結構框架具有較明顯的經濟優勢，與常規剛接鋼框架結構相比可節約鋼材48%，具有良好的經濟性。

[1] J.M.Cabrero，E.Bayo.Development of practical design methods for steel structures with semi-rigid connections[J].Engineering Structures，2005(27):1125-1137.

[2] Comite European de Normalisation(CEN).Eurocode No.3:design of steel structures，part 1.8 ，Design of Joints，prEN，1993-1-8.

[3] Steenhuis M ，Weynand K ，Gresnigt AM.Strategies for economic design of unbraced steel frames[J].Journal of Constructional Steel Research，1998 ，46(1-3):88-89.

[4] 王靜峰.豎向荷載作用下半剛性連接組合框架的實用設計方法[D].上海:同濟大學博士學位論文，2005.

[5] GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S].

[6] 劉清平.水平荷載作用下半剛性連接組合框架的實用設計方法[D].上海:同濟大學博士學位論文，2006.