鋼節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度計(jì)算方法研究綜述

陳杰斌12

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣東 廣州 510640)(2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東 廣州 510640)

建筑結(jié)構(gòu)體系中連接節(jié)點(diǎn)信息是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，只有把節(jié)點(diǎn)本構(gòu)理清，才有進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空間，才能真正體現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)體系的高性能。因此半剛性節(jié)點(diǎn)概念的提出使得針對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的研究更加具體化。

經(jīng)過多年研究，目前，評(píng)估節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的方法主要有以下2種：基于相關(guān)性研究和基于組件法的研究。

一、基于相關(guān)性研究

基于相關(guān)性原理大量學(xué)者已經(jīng)對(duì)加強(qiáng)環(huán)式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)、穿心柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)、鋼管混凝土柱-鋼梁框架、鋼管混凝土柱-鋼混凝土組合梁節(jié)點(diǎn)、帶加勁肋的頂?shù)捉卿摴?jié)點(diǎn)、帶加勁肋的端板連接、雙腹板頂?shù)捉卿撨B接等進(jìn)行了試驗(yàn)和有限元分析，并得到了相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角(M-θ)曲線。

潘建榮[1]基于相關(guān)性的加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)的公式，如式1所示。

(1)

同時(shí)還構(gòu)造穿心式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角模型。如式2所示。

(2)

最后對(duì)外伸端板連的節(jié)點(diǎn)提出了考慮相關(guān)性的分析模型，如式3所示：

(3)

張?jiān)芠2]通過相關(guān)性原理得到了帶加勁肋的頂?shù)捉卿摴?jié)點(diǎn)的分析模型：

(4)

龔成[3]對(duì)帶加勁肋的端板連接的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)性分析并得到了彎矩-轉(zhuǎn)角方程：

(5)

基于相關(guān)性的研究主要是根據(jù)數(shù)據(jù)分析出來的計(jì)算結(jié)果，其分析過程缺乏一定的物理意義。

二、基于組件法的研究

組件法是將節(jié)點(diǎn)拆分為多個(gè)基本組件，每個(gè)組件由線性或非線性的彈簧模擬，通過彈簧的串、并聯(lián)組合計(jì)算，將各基本組件進(jìn)行組裝，獲得節(jié)點(diǎn)整體的力學(xué)行為。

(一)栓板組件計(jì)算方法

1.G.N.Stamatopoulos[4]提取出T型件來計(jì)算，將其等效為半固支梁進(jìn)行分析，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)的位移法對(duì)T型件拆分為幾個(gè)兩端固支梁分別計(jì)算其彎矩-轉(zhuǎn)角，剪力-位移關(guān)系，從而再將其組合起來進(jìn)行計(jì)算T型件的剛度。

2.高婧[5]，等將T型件視為梁端固支梁計(jì)算，總的思想就是利用T型件，在外力作用下拉動(dòng)T型件的腹板，螺栓處以及T型件邊緣處利用一定的約束條件約束，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算方法計(jì)算T型件在腹板單位拉力作用下所拉開的位移，從而給出T型件的彈簧剛度。

3.郭兵[6]等對(duì)T型件進(jìn)行了簡(jiǎn)化，端板外邊緣處有剛性鏈桿提供撬力，螺栓處用彈簧支座，T型件腹板用滑動(dòng)支座來模擬T型件的受力模型，運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算方法確定T型件端板在彎矩剪力作用下的變形，從而計(jì)算處外伸端板節(jié)點(diǎn)處端板的彎曲變形剛度，

4.Shi Y J[7]等對(duì)T型件也進(jìn)行了一定的研究，其假定端板連接處模型為螺栓連接處使用彈簧支座，端板外端使用剛性兩岸支座，從而利用梁理論求T型件的剛度KT。

5.施剛[8]等假設(shè)螺栓與梁翼緣、端板、腹板的垂線為端板的一固定邊來研究端板的變形，將板分成兩個(gè)兩邊固接的板，再按照梁的變形理論計(jì)算每個(gè)板的變形剛度，最終再將兩個(gè)剛度按一定原則疊加，從而推導(dǎo)出端板變形的彈簧剛度。

(二)受剪組件計(jì)算方法

通過前人的大量研究發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)各個(gè)組件中，柱子腹板、外伸加勁肋等受剪組件的剪切變形對(duì)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)性能有著較大的影響，因此為了能更好的理清節(jié)點(diǎn)的性能，許多學(xué)者對(duì)受剪組件也建立了許多分析計(jì)算模型。

許多學(xué)者柱腹板的剪切變形[5,8]，可將其假定為一個(gè)受剪力作用的短柱來考慮，則柱腹板在剪力作用下的剪切變形如下式(6)所示，式中各參數(shù)意義參加文獻(xiàn)[5]。

δcw,v=Vzcw,v/(GAv,cw)

(6)

同時(shí)，由于柱腹板的剪切變形較小，因此也有學(xué)者利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)柱腹板的剪切變形進(jìn)行計(jì)算[6]如下式(7)所示，式子各參數(shù)定義見文獻(xiàn)[6]。

δcf+δcwv+δcwc=0.2(δcp+δb)

(7)

(三)螺栓力分析

對(duì)于端板連接節(jié)點(diǎn)上的螺栓力的分布，國(guó)內(nèi)外也有不少學(xué)者進(jìn)行了一定量的研究，比較有代表性的有國(guó)外的Bai R[9]等人，國(guó)內(nèi)的有，劉秀麗[10]等人進(jìn)行了一系列的研究。

學(xué)者們經(jīng)過試驗(yàn)研究以及數(shù)值模擬分析研究發(fā)現(xiàn)，T型連接件翼緣板厚度、螺栓直徑以及螺栓中心至腹板邊緣的距離對(duì)T型連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能均有顯著影響，而改變螺栓平面構(gòu)造參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能影響較小[23]。

(a)端板較薄

(b)端板較厚

三、不足

1.將端板與翼緣等價(jià)為T型件的計(jì)算方法，沒有考慮梁腹板對(duì)端板變形的約束，對(duì)于有外伸加勁肋的節(jié)點(diǎn)，等價(jià)為十字型件時(shí)將加勁肋的平面內(nèi)剛度假設(shè)為無(wú)限大，從而忽略了其面內(nèi)剪切變形對(duì)節(jié)點(diǎn)半剛性的影響。

2.目前各種研究中對(duì)于各個(gè)組件之間的相關(guān)性缺乏考慮，組件之間是互相影響而非獨(dú)立存在的，因此在彈簧組合時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮相關(guān)性對(duì)節(jié)點(diǎn)半剛性的影響。

四、結(jié)語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)中梁柱連接節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)建筑結(jié)構(gòu)體影響較大，在過去幾十年的時(shí)間里，經(jīng)過大量的學(xué)者研究得到了許多計(jì)算模型，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有較大的指導(dǎo)意義。