節點剛度對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.浙江工業大學建筑工程學院，浙江杭州310014）

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節點剛度對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.浙江工業大學建筑工程學院，浙江杭州310014）

摘 要：編制半剛接鋼框架計算程序，通過典型算例的計算分析，討論了節點剛度變化對鋼框架受力性能的影響，計算程序的正確性由算例得以驗證。從而為半剛接鋼架設計提供了參考。

關鍵詞：鋼框架；節點剛度；半剛性；受力性能

1 概 述

國內外學者對節點抗震試驗結果分析表明：梁柱節點采用焊接剛性節點的鋼框架，因節點延性較差易發生脆性破壞，而端板連接等半剛接鋼框架節點則具有較強的耗能能力，有利于抵抗地震作用；同時，還可以減少斜撐和節點用鋼量［1-3］。

半剛性連接因彎矩-轉角為非線性關系，加上構件的二階效應決定了半剛接框架的荷載與位移、內力的關系也是非線性，桿件的剛度矩陣和固端力均與剛性節點有所不同［4-6］。國內外對半剛接鋼框架性能已展開許多研究，但鋼框架的分析設計仍多將梁柱連接簡化為剛接或鉸接，原因是彎矩-轉角的非線性關系的復雜性，以及結構設計分析的復雜性［7］。

鑒于半剛性連接的復雜性和多樣性，規范對半剛接鋼框架有詳細設計規定的國家并不多，我國現行的《高層民用建筑鋼結構技術規程（JGJ 99—98）》中尚無相關規定；現行《鋼結構設計規范（GB 50017—2003）》中規定對半剛接鋼框架內力分析時必須預先確定連接的彎矩-轉角曲線，以考慮連接變形的影響，但實際分析卻存在一定的困難。因此有必要研究節點剛度對鋼框架變形及內力分布的影響，以便在鋼框架設計時給予考慮。

2 計算分析

本文運用自編半剛性鋼框架計算程序分析典型算例，討論節點剛度對框架的位移、內力和變形之影響，程序的正確性由算例得以驗證。

2.1 節點剛度對鋼框架節點位移和內力的影響分析

取算例1為一單跨兩層的半剛性節點連接鋼框架。節點和單元編號及荷載設計值見圖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點。節點柔度α= 2EI/（K0L）= 0.1，EI/L為梁的線剛度，K0為節點的連接剛度。

2.1.1 節點剛度對框架節點位移的影響

利用半剛性鋼框架計算程序分析圖1所示鋼框架算例，得到節點水平位移、豎向位移和轉角（圖2）。轉角不包括梁端半剛性連接產生的附加轉角。

圖1 單跨兩層半剛接鋼框架算例

圖2 節點剛度對框架節點位移的影響

從圖2可見，半剛接框架比剛接框架的節點水平側移明顯增大，一層節點水平側移增大33%左右，二層節點水平側移增大35%左右，說明節點剛度對框架的水平位移影響明顯；但兩種框架的節點豎向位移十分接近，說明節點剛度對框架的節點豎向位移幾乎沒有影響，這與節點半剛性所引起的單元軸力變化相對很小一致。節點半剛性對框架節點轉角的影響比較復雜，左柱的3和5節點轉角基本沒影響，而右柱的4和6節點則影響較大，轉角都增大。這是因為水平力產生的梁柱相對轉角與豎向荷載產生的梁柱相對轉角在左柱和右柱分別是抵消和疊加的關系所致。

2.1.2 節點剛度對框架內力的影響

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，這與節點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，但相對于梁的強度和剛度來講，其變化依然很小；柱端剪力變化較大，梁端剪力基本不變，這與受力狀態直接相關，且與梁和柱軸力的變化相對應。

2.2 節點剛度對框架變形的影響

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

為便于比較節點剛度對框架節點向水平側向位移和梁撓度，取半剛接與剛接框架的節點側移或梁撓度比λ= vb/vg，vb、vg分別為半剛接、剛接框架的節點水平側移值或梁跨中撓度值。

2.2.1 節點剛度對框架撓度和水平側移的影響

取不同的節點柔度系數，分析算例2在圖4a）的豎向荷載作用下的半剛性節點與剛性節點框架的梁跨度中點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點與剛性節點框架的節點3或5水平側移比λh。考慮材料為線彈性，分析結果見圖5。

圖3 節點剛度對框架桿件內力影響

圖4 算例2計算模型

圖5 節點剛度對框架撓度和水平側移影響

由圖5可知，在豎向載荷作用下，節點剛度對梁跨中撓度的影響較大。隨著節點柔度系數α的增大，跨中撓度增加很快，但框架節點水平側移變化則不大；在水平荷載作用下，節點柔度系數α對框架水平側移影響較大，但對框架梁的跨中撓度影響則不明顯。節點連接柔度系數α愈小，即節點連接剛度愈大，半剛接分析數據愈接近剛架計算程序的結果，α= 0時，兩者計算結果一致，從而間接驗證了本文半剛接鋼框架分析程序的正確性。

2.2.2 節點剛度對不同跨度框架梁撓度和側移的影響

再取圖4算例2，分別取節點柔度系數α= 0.1，區分柱腳為剛接和鉸接，分別分析在豎向荷載作用下，節點剛度對不同跨度框架梁跨度中點的撓度的影響，以及在水平荷載作用下，節點剛度對不同跨度框架的水平位移的影響。結果見表1。

表1 半剛性節點與剛性節點框架側移比和梁跨中撓度比與框架跨度的關系

分析表1可知，跨度對柱腳鉸接框架的水平側移有明顯的影響，對柱腳剛接框架的水平側移影響較小；框架跨度增大，節點剛度對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，則節點剛度相對增大，也就更接近剛性連接，故側移變小；但柱腳鉸接框架則相反，隨著跨度的增大，控制側移的梁線剛度變小，對節點側移約束減小，故側移反而增大。跨度對柱腳剛接和鉸接框架梁跨中撓度的影響均不大。框架梁跨中撓度與梁的剛度、節點剛度及柱剛度都有關。隨著跨度的增大，節點剛度及梁剛度對框架梁撓度影響逐漸減弱，梁撓度增大；但當跨度繼續增大時，則框架梁相對細長，抗彎線剛度變小，因而節點剛度相對增大，就更接近剛性連接，因而算出結果又趨向于剛接，柱腳剛性和鉸接的框架都具有這一規律。

3 結 語

半剛性節點和剛性節點的框架受力對比分析表明，節點剛度對鋼框架受力性能具有多方面影響，這與文獻［8］和［9］的試驗研究結論相一致。

1）節點連接剛度對梁端彎矩、柱上下兩端彎矩和柱剪力影響均較明顯，但對柱軸力影響很小；

2）節點連接剛度對節點側移、節點轉角影響比較大，對節點豎向位移影響較小；

3）在豎向載荷作用下，節點連接剛度對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

［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，2011.

［4］方壘，徐偉良.門式剛架端板連接節點半剛性的非線性有限元分析［J］.浙江工業大學學報，2008（4）：451-455.

［5］張上.半剛性框架節點性能研究［D］.成都：西南交通大學，2009.

［6］許建勛.鋼框架節點受力性能及其對框架受力性能影響研究［D］.杭州：浙江工業大學，2002.

［7］王靜峰，李國強，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設計［J］.建筑結構學報，2006（12）：9-17.

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

［9］李國強，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［J］.土木工程學院報，2007（12）：8-16.

中圖分類號：TU391、TU328

文獻標志碼：A

文章編號：1008-3707（2016）02-0011-04

收稿日期：2015-08-19

作者簡介：黃 劍（1959—），男，浙江義烏人，工程師，從事建筑結構與裝修工程工作。