半剛性連接研究
2013-06-04 07:09:12李晨
李晨
【摘 要】目前，關(guān)于半剛性節(jié)點的理論研究落后于工程實踐，急待形成設(shè)計的理論體系，特別是需要建立彎矩和轉(zhuǎn)角的本構(gòu)方程用于工程設(shè)計。結(jié)合國內(nèi)其他單位的研究成果，對傳統(tǒng)剛接剛架計算彎矩值用乘以彎矩系數(shù)的方法進行修正，得到半剛接剛架彎矩值，可應(yīng)用于工程設(shè)計。分析結(jié)果表明，隨著剛度比增大，節(jié)點約束程度減弱，剛架橫梁跨中彎矩增大，梁端彎矩減小，節(jié)點半剛性對剛架受力性能有明顯影響，在剛架分析和設(shè)計中應(yīng)加以考慮。本文綜合的對半剛性節(jié)點的內(nèi)力分析、半剛接框架柱的穩(wěn)定分析方法以及半剛性連接框架的變形特點進行了研究。
【關(guān)鍵詞】半剛性節(jié)點；內(nèi)力分析；變形特點；穩(wěn)定性
1.半剛性節(jié)點研究的意義
在工程應(yīng)用上，半剛性節(jié)點對抗震設(shè)計是很有利的。在經(jīng)濟方面，層數(shù)不超過10-15層的框架中，依靠梁柱組成的剛架體系來提供對水平力的抵抗是經(jīng)濟的。不論豎向荷載作用下是否承受彎矩，連接做成半剛性足夠。故對半剛性節(jié)點的研究有很高的經(jīng)濟價值。目前對半剛性節(jié)點的研究主要有對節(jié)點本身性能的研究和節(jié)點對結(jié)構(gòu)的影響兩類。
2.半剛性節(jié)點試驗研究
2.1試驗概況
首先做了試件的靜力試驗，來確定半剛性連接在靜力荷載作用下的破壞形態(tài)、M-θ關(guān)系、初始剛度、極限承載能力等，以便為后續(xù)的周期荷載試驗確定或修改構(gòu)件尺寸、加載模式和數(shù)據(jù)采集方法等提供依據(jù)。其次采用不同尺寸的構(gòu)件試驗，在構(gòu)件的梁端按梯次逐漸施加循環(huán)反復(fù)荷載，通過用荷載和位移控制來測量連接的轉(zhuǎn)角、梁端位移，頂?shù)捉卿?、腹板角鋼、螺栓、梁翼緣、柱翼緣的微?yīng)變。
2.2結(jié)果分析
2.2.1破壞形式
在小幅值周期荷載作用下，試件基木上都能保持良好的彈性狀態(tài)，卸載后基本上沒有殘余變形，隨著荷載幅值的加大或周期數(shù)的增多，連接的彈性性質(zhì)越來越不明顯，卸載后基木上不能回到原來的位置，塑性變形增大。其破壞的模式主要有：螺栓滑移、轉(zhuǎn)角過大以及頂?shù)捉卿撆まD(zhuǎn)破壞。部分試件出現(xiàn)的螺栓滑移現(xiàn)象，則可以通過剛度變化印證。大部分試件都是由于梁的轉(zhuǎn)角過大達到限值而破壞。頂、底角鋼是半剛性連接最薄弱的部件，由此產(chǎn)生的“轉(zhuǎn)動變形”則是半剛性連接是否能正常工作的控制因素。
2.2.2滯回性能分析
頂?shù)赘拱褰卿撨B接的滯回曲線更加飽滿，反映出它有更好的耗能性能。而在同一位移數(shù)值中，頂?shù)捉卿摴?jié)點承擔的荷載值最低，端板節(jié)點最高，表明三種連接的剛性是從頂?shù)捉卿撨B接、頂?shù)赘拱褰卿撨B接、端板連接依次遞增的。當彎矩為零時，頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點的殘余變形最大，剛度退化現(xiàn)象也較為明顯，而頂?shù)赘拱褰卿撨B接節(jié)點次之。
2.2.3剛度性能分析
雙腹板、頂?shù)捉卿摪雱傂赃B接節(jié)點具有明顯的非線性特征。在加載初期彎矩和轉(zhuǎn)角能保持良好的線性關(guān)系，彎矩M隨轉(zhuǎn)角θ的增加而呈線性增加，但當荷載增加到一定程度時一就表現(xiàn)出了明顯的非線性特征，彎矩隨轉(zhuǎn)角的增加而緩慢增加。雙腹板、頂?shù)捉卿摪雱傂赃B接在周期荷載作用下的初始剛度與構(gòu)件的初始特性有關(guān)，而與加載方式無關(guān)。
2.2.4應(yīng)力應(yīng)變分析
角鋼受力有其發(fā)展過程。連接節(jié)點的受力開始主要由頂、底角鋼受力，雙腹板角鋼只是出現(xiàn)很小的彈性變形；頂?shù)捉卿撟冃芜M入塑性后，隨荷載增加塑性雖進一步加大，但頂?shù)捉卿撍惺艿暮奢d卻增加的很少，這時荷載的增加主要由雙腹板角鋼承擔。頂角鋼的短肢受拉且應(yīng)變與彎矩之間能保持較好的線性關(guān)系；頂角鋼長肢、底角鋼的長肢和短肢都受壓，其應(yīng)變與彎矩的關(guān)系呈明顯的非線性關(guān)系。而試件中的梁、柱強度都比較高，尤其是柱基本上沒有破壞。
3.半剛接框架柱的穩(wěn)定分析方法
鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要包括強度、剛度、穩(wěn)定性三個方面的內(nèi)容，其中鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是決定其承載力的一個特別重要的因素。傳統(tǒng)的剛架穩(wěn)定設(shè)計方法是按照一階彈性分析的方法即一般結(jié)構(gòu)力學的計算方法確定內(nèi)力，然后經(jīng)過必要的組合得到各個構(gòu)件的最不利內(nèi)力。有了剛架柱的軸壓力和彎矩值后把柱當作獨立構(gòu)件單獨設(shè)計，按照壓彎構(gòu)件驗算柱的穩(wěn)定。但是鋼框架中的梁柱大多不是以獨立桿件的形式存在，而是整體框架的一部分。因此，框架中的梁柱設(shè)計，必須考慮相鄰框架桿件之間的相互影響。在現(xiàn)行的設(shè)計方法中，這種相互影響用計算長度的概念來考慮。
鋼結(jié)構(gòu)框架設(shè)計中，梁柱節(jié)點連接有剛性連接、鉸接和半剛性連接三種。半剛性連接鋼框架結(jié)構(gòu)，性能介于剛接與鉸接之間，半剛性連接增大了節(jié)點的柔性，并加大了框架結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移，由于韌性較好，耗能能力較強，抵抗地震作用較好，同時節(jié)點用鋼量較省，施工技術(shù)簡單。目前，我國工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)中，普遍采用半剛性連接鋼框架結(jié)構(gòu)，但是我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》尚無具體的半剛接鋼框架柱內(nèi)力分析方法以及柱計算長度的取值計算規(guī)定。
本文采用螺旋彈簧模擬梁柱節(jié)點連接的半剛性，考慮梁柱間的相對轉(zhuǎn)角，通過引入梁柱線剛度比修正系數(shù)的計算方法，推導了有側(cè)移和無側(cè)移半剛接鋼框架柱的計算長度系數(shù)公式。
有側(cè)移半剛接框架柱的計算長度系數(shù)計算公式為：
4.半剛性連接框架的變形特點
傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)或鋼混組合結(jié)構(gòu)設(shè)計中，框架的梁柱連接假設(shè)為完全的剛接或理想的鉸接，事實上從彎矩和轉(zhuǎn)角關(guān)系的模型來看，真實結(jié)構(gòu)的梁柱連接都應(yīng)該看作半剛性連接的特殊情況。對地震荷載而言，半剛接框架節(jié)點變形大，韌性好，具有較強的耗能能力，是一種經(jīng)濟合理的選擇，因此探討半剛性連接計算模型對框架變形和內(nèi)力的影響已經(jīng)是日益緊迫的任務(wù)。
4.1梁柱連接的彎矩-轉(zhuǎn)角（M-￠c）關(guān)系模型
在目前已知的大約800次半剛性連接試驗中，適用Ramberg-Osgood和Richard-Abbott模型的情況較多，通過對34個外伸端板和19個受力區(qū)不帶加肋板的外端板連接試驗的回歸分析，可以確定該關(guān)系模型的回歸參數(shù)，相關(guān)因子R2=0.916.說明統(tǒng)計結(jié)果良好。
4.2解決雙重非線性問題的弧長增量控制法
在半剛性連接框架的計算模型中，必須同時考慮幾何大變形和材料非線性的雙重非線性問題，常規(guī)的增量法和迭代法需作一些改進，因為增量法雖然能追蹤變形的歷史，但容易漂移，而迭代法計算簡便，但無法追蹤變形過程.所以通常采用混合法，即在一個增量步內(nèi)采用牛頓法進行多次迭代?；￠L控制的優(yōu)點在于提高了精度，加快了收斂速度，而且更重要的是克服了傳統(tǒng)方法當路徑上出現(xiàn)極值點時不能求得正確解的困難，還能夠在迭代過程中調(diào)整增量步長，從而跟蹤各種復(fù)雜的非線性曲線路徑的全過程。有限元增量迭代方式可表示為：
在有限元的迭代過程中由i到i+1點計算Δλnt+1的公式，倘若嚴格按照弧長的公式進行是相當復(fù)雜的，因此本文采用改進的算法：即用垂直于迭代向量的切線來代替圓弧。
5.結(jié)論及展望
本文在基于對半剛性連接節(jié)點所做的大量研究工作基礎(chǔ)之上。本文綜合分析了半剛性節(jié)點及半剛接剛架，及對半剛接剛架的內(nèi)力及變形特點和穩(wěn)定性做了簡單的分析并得出結(jié)論。發(fā)現(xiàn)半剛性節(jié)點具有良好的耗能性能，并且具有制作安裝簡易等特點，可以預(yù)見它會越來越廣泛地應(yīng)用于實際工程中。
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