空腹桁架節(jié)點剛度對空腹剛架中桿件內(nèi)力的影響

陳黃雅

摘要：空腹桁架是一種大跨度轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的基本形式，其連接節(jié)點的剛度對桿件受力性能有一定的影響。本文在對空腹桁架傳統(tǒng)的剛性連接分析，進行了理論探討與計算，選用了半剛性連接的設(shè)計方式，根據(jù)多組數(shù)據(jù)實驗顯示了半剛性連接與剛性連接的異同。經(jīng)過空腹桁架的節(jié)點連接方式，導(dǎo)出了其內(nèi)力的變化，利用分析結(jié)果表明了預(yù)應(yīng)力空腹桁架在實際應(yīng)用中的優(yōu)越性，并結(jié)合了實際工程，提出了建議與思考，證實了空腹桁架在社會中應(yīng)用的重要意義。

關(guān)鍵詞：空腹桁架；節(jié)點剛度；半剛性連接；內(nèi)力影響

中圖分類號： TU323.4文獻標識碼：A

1空腹桁架節(jié)點剛度半剛性連接特征

1.1空腹桁架節(jié)點半剛性的特征研究

通常梁柱的連接性能可由連接所傳遞的彎矩Ｍ與相連梁間的相對轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線來表示，

1.1.1冪函數(shù)模型：

其中為連接的初始風(fēng)度，

為極限抗彎承載力，為與連接初始剛度有關(guān)的

形狀系數(shù)。如右圖

1.1.2指數(shù)函數(shù)模型：

其中，為曲線擬合的連接彎矩初始值；為曲線線性部分的定值參數(shù)；為曲線線性部分的起始轉(zhuǎn)角；為階梯函數(shù) （當時為１， 當時為零） ；和為由線性回歸分析求得的曲線擬合常數(shù)。

1.1.3線性模型：

簡單的線性模型有三各，如右圖所示。單剛度線性模

型是采用初始連接剛度來代表全部加載范圍的連

接特性，當彎矩超過連接使用極限后， 這種模型失效。

雙線性模型在某一轉(zhuǎn)折彎矩處用一條更平坦的線來代

替彎矩—轉(zhuǎn)角線的初斜率。折線模型是用一組直線段

來逼近非線性的曲線。這些線性模型使用方便，

但由于不夠精確且轉(zhuǎn)折點處剛度突變， 故難于應(yīng)用。

1.1.4多項式模型：

式中， 為取決于連接類型及幾何尺寸的標準化參數(shù)；和為曲線擬合常數(shù)。這個模型能很好的代表特性。但由于多項式自身的性質(zhì)， 在某一范圍內(nèi)它會達到并通過峰值點，用曲線斜率來代表的連接剛度，就可能為負值，與實際不符。

通過上述分析，可得出：半剛性連接，空腹桁架節(jié)點傳遞彎矩，但是會使橫梁的桿端彎矩減少，而跨中正彎矩相應(yīng)增加，與剛性連接設(shè)計不符合受力情況，其結(jié)果將高估由梁端傳到柱負彎矩而低估梁的跨中正彎矩，桁架的半剛性連接對結(jié)構(gòu)受力性能有明顯的影響。

2桿件節(jié)點剛度的改變對內(nèi)力的影

響分析

2.1節(jié)點剛度半剛性連接的單元矩陣

如右圖所示為彎矩節(jié)點剛度的關(guān)系曲線，可知

梁端彎矩基本上隨著剛度系數(shù)的增加線性增加。

在導(dǎo)出半剛性連接單元矩陣里假定：每層梁

柱的質(zhì)量都集中在樓面；忽略桿件軸向變形的

影響；假定樓面在平面內(nèi)的剛度無窮大。

因梁端部有相對位移，故設(shè)軸向位移為和，橫向位移為和，桿端軸向力（）,桿端彎矩（）,桿端剪力（）則單元剛度矩陣為下。

上式中，，Ｌ為梁長度。

由上式可為桁架的梁柱連接剛度系數(shù)，當?shù)姆秶?~1。當＝0時，表示梁柱我鉸接；當＝1時，表示梁柱完全剛接；當0<<1時，梁柱為半剛性連接；越接近1,表示梁柱連接的剛度越大。當＝1時單元剛度矩陣和一般梁單元的剛度矩陣相同。

2.2半剛性連接的實驗與理論對比分析

將單層桁架進行分析，如果梁柱的抗彎剛度相等，則求得梁柱完全剛接時的支座彎矩為與連接剛度系數(shù)，梁線剛度與節(jié)點連接抗彎剛度的比值的關(guān)系曲線如圖。

由圖可以看出梁的線剛度與節(jié)點連接抗彎剛度的比值越小橫梁桿端彎矩按剛性計算的成份就大，而當越大，棟梁桿端按剛度計算的成份就會越小，越來接近半剛接。

4預(yù)應(yīng)力混凝土空腹桁架節(jié)點

3.空腹桁架鋼混結(jié)構(gòu)連接的性能

鋼筋混凝土空腹桁架中配置型鋼材料，作為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層具有很大的剛度，能降低梁上柱的縱向位移，降低截面彎矩，還可以降低水平荷載作用下結(jié)構(gòu)頂點位移?？崭硅旒芑炷列弯摶炷量崭硅旒艿某休d能力及延性明顯優(yōu)于普通梁式連體結(jié)構(gòu)?？崭硅旒苓B體結(jié)構(gòu)的破壞始于桁架腹桿彎曲破壞，破壞前桁架各桿件變形較大、裂縫開展較多，特別是腹桿兩端可形成塑性鉸，耗能能力較大。與普通混凝土相比，型鋼混凝土具有較大的承載力、延性等特點，在反復(fù)荷載作用下，型鋼梁柱節(jié)點焊縫處易出現(xiàn)破壞，影響結(jié)構(gòu)變形能力和延性。

鋼混結(jié)構(gòu)按半剛性節(jié)點設(shè)計，不僅僅可以提高結(jié)構(gòu)的剛度，增大抗彎能力，還便于施工，減少工作周期，節(jié)約鋼材與降低造價。

4結(jié)語

（1）通過對空腹桁架節(jié)點半剛性特征進行描述，知道與彎矩、剪力的關(guān)系曲線，以及破壞特征。從關(guān)系曲線與基本方程中可以分析空腹桁架剛度大其承載能力好，比普通連體結(jié)構(gòu)更具有整體性。

（2）提出了半剛性節(jié)點模型與分析半剛性單元矩陣，得出了當梁柱的線剛度越大，其承受彎矩值越大，并與剛性設(shè)計作了比較，表明節(jié)點半剛性的合理利用性。

（3）指出了空腹桁架鋼混結(jié)構(gòu)有較好的延性，增加構(gòu)件的用鋼量更有利于提高梁柱的承載力，使結(jié)構(gòu)整體性更高。

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