半剛性鋼框架的抗震性能研究綜述*

劉 偉 于海濤 姜 昊 張 雄 席 位

(吉林建筑大學土木工程學院，長春 130118)

0 引言

近年來地震頻發(fā)，特別是在我國接連幾年發(fā)生的兩次大地震造成了巨大的人身傷害及經(jīng)濟損失.為防止悲劇重演，必須對建筑結構的抗震性能的要求進一步提高，因此尋求抗震性能更好的結構體系至關重要.在傳統(tǒng)的分析和設計中，總是把鋼框架看成理想的鉸接或者剛接形式，而實際受力情況卻是介于鉸接與剛接之間的半剛性連接.經(jīng)過1994年和1995年的兩次大地震(美國北嶺地震和日本阪神地震)后，研究人員發(fā)現(xiàn)，采用完全焊接的剛性節(jié)點鋼框架大部分發(fā)生脆性破壞，引發(fā)了設計者們對鋼框架抗震性能的深思，從而，半剛性連接鋼框架便逐漸占據(jù)了人們的眼球.

1 半剛性鋼框架的特點

與剛性和柔性鋼框架相比較，半剛性鋼框架具有其明顯的優(yōu)勢.

(1)節(jié)約鋼材.合理的調(diào)節(jié)半剛性節(jié)點的剛度，可有效地改變結構構件的內(nèi)力分配，同時減小其峰值，從而可以充分利用鋼材，降低用鋼量，實現(xiàn)節(jié)約鋼材的目的;

(2)耗能高、抗震性能好.半剛性連接鋼框架可以產(chǎn)生較大的塑性變形、良好的延性性能，并且還有一定的剛度和強度，因此是一種理想的抗震耗能體系;

(3)綜合效益明顯.半剛性連接鋼框架大量采用高強螺栓連接，可以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，施工速度快，還可以有效的節(jié)省人力、物力，并且毀壞、廢除后可以拆卸回收，綜合經(jīng)濟效益非常明顯.

圖1和圖2為一次實驗的滯回曲線.由圖可以看出:半剛性連接鋼框架較剛性連接鋼框架具有良好的耗能能力，滯回曲線比較飽滿，滯回性能比較好.

圖1 半剛性連接鋼框架

圖2 剛性連接鋼框架

2 半剛性連接鋼框架常見結構類型

(1)內(nèi)縮式端板連接.內(nèi)縮式端板連接由一個高度小于梁高度的端板與梁進行焊接，再用螺栓與框架柱相連接組成.這種連接方式可以承受梁在工作荷載作用下的全固端彎矩的20%左右(如圖3 h);

(2)頂?shù)捉卿撨B接.在AISC－ASD(1989)規(guī)范中，對頂?shù)捉卿撨B接形式規(guī)定如下:①底角鋼只傳遞豎向反力，并且對梁端不產(chǎn)生較大的約束彎矩;②頂角鋼僅用來保持側向穩(wěn)定，不能承受任何重力載荷.然而，已經(jīng)有實驗結果證明，此種連接形式可以抵抗一定的梁端彎矩(如圖3 c);

(3)雙腹板頂?shù)捉卿撨B接.這類連接是頂?shù)捉卿撨B接和腹板雙角鋼連接的組合，是梁的上下翼緣用角鋼與柱翼緣相連，同時梁腹板也用兩個角鋼與柱翼緣相連的一種連接形式(如圖3 d);

(4)平齊/外伸端板連接.這兩種連接是半剛性鋼框架連接的常用形式，其可以承受一定的彎矩.外伸端板連接根據(jù)外伸受力情況又可分為兩種:一種是只在受拉一側外伸的端板連接;一種是在受拉和受壓兩側都外伸的端板連接(如圖3 f/e);

(5)短T型鋼連接.此連接是在梁的上下翼緣處用兩個短T型鋼作為連接件通過螺栓把梁、柱連接起來.這種連接方式剛度比其他半剛性連接方式都大，是剛度最大的半剛性連接之一，當把這種連接形式與雙腹板角鋼組合使用時可當做剛性連接(圖3 g).

圖3 半剛性連接鋼框架常見結構類型

3 半剛性連接鋼框架的研究現(xiàn)狀

Romstadt和Subrajnanian[1](1970)用雙線性模型來代替腹板雙角鋼類型的半剛性連接M －θ曲線關系，利用梁柱理論對單跨單層半剛性連接鋼框架進行了彈性穩(wěn)定分析.

Frye和Morris (1975)將7種常用半剛性的M－θ關系用無量綱的多項式模型表示，通過迭代法近似確定了半剛性節(jié)點連接的非線性剛度，對半剛性連接鋼框架的彈性理論進行了分析研究;顧強[3]進行了腹板雙角鋼半剛性節(jié)點的梁端位移循環(huán)加載試驗，分析研究了此種連接形式的破壞機理和變形能力;李國強[4]等人研究分析了半剛性連接鋼框架在彈塑性狀態(tài)下的地震反應;王國兵[5]設計了雙腹板頂?shù)捉卿摪雱傂怨?jié)點的一品兩跨三層的鋼框架模型，進行了低周反復實驗，得出半剛性鋼框架具有很好的抗震性能和耗能能力的結論;陳妍[6]利用有限元軟件對半剛性鋼框架進行了動力性能分析，得出如果對半剛性鋼框架完全近似按鋼框架進行設計會造成較大的誤差，在進行設計時應考慮節(jié)點柔性對結構動力性能的影響;徐良偉[7]等人在假設的基礎上，通過引入螺旋彈簧剛度，利用簡支式等效單元模型，推導出了梁單元的彎矩轉角方程和修正轉動剛度，同時還將無剪力法推廣到了半剛性連接鋼框架的結構分析上，為工程設計人員所應用;王燕[8]利用M－θ三參數(shù)線性化模型，通過對各種連接類型的半剛性節(jié)點進行受力分析，推導出每種形式的半剛性連接節(jié)點在荷載作用下的內(nèi)力和線性初始剛度的計算公式;陳國棟和房貞政[9]對半剛性鋼框架進行了二階彈性分析，論證了我國現(xiàn)行鋼結構設計規(guī)范提供的P－Δ效應簡化方法不能適用于半剛性鋼框架的設計;向芳和舒興平[10]對上下翼緣采用角鋼連接的半剛接節(jié)點進行了極限承載力分析;溫柔[11]通過有限元分析了頂?shù)捉卿摪雱傂怨?jié)點的破壞機理，以及頂?shù)捉卿摵穸取⒘焊?、螺栓直接、摩擦系?shù)、預拉力對結構承載力及變形的影響，得到影響彎矩轉角關系的主要因素是頂?shù)捉卿摵穸?、梁高、頂?shù)捉卿撻L度及角鋼與柱翼緣螺栓中心距梁翼緣的距離.

4 結論與展望

綜合當前對半剛性連接鋼框架的研究現(xiàn)狀得出以下結論:

(1)半剛性連接鋼框架可以更為方便地實現(xiàn)“強柱弱梁”的抗震設計原則;

(2)半剛性連接鋼框架可在發(fā)生較大的變形后達到極限承載力，這與鋼材本身變形能力大、延性好有關，同時節(jié)點剛度對此也有很大影響，不容忽視;

(3)目前，對于半剛性連接鋼框架的研究大部分停留在對變形、破壞形式、動靜受力性能方面，而對于抗震性能理論研究及實驗研究甚少，對抗震性能的研究急待加強;

(4)由于半剛性連接鋼框架的非線性性質，因此對半剛性鋼框架的動靜力分析應更加深入.近年來，隨著我國鋼材產(chǎn)量的不斷增大、國家對鋼結構建筑的政策引導及國家對住宅產(chǎn)業(yè)化的要求，鋼結構框架體系必將越來越得到廣泛的應用.由于半剛性連接鋼框架的良好的耗能能力及抗震性能，在未來的房屋抗震體系當中也必將發(fā)揮重大作用.

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[5]王國兵.半剛性鋼框架抗震性能的實驗研究[D].山東:山東科技大學，2007.

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[7]徐良偉，王 星，蔣 苗.半剛性連接鋼框架簡化分析的無剪力分配法[J].建筑技術開發(fā)，2002，29(9):5－6.

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[10]向 芳，舒興平.上下翼緣角鋼半剛性連接的極限抗彎承載力研究[J].鋼結構，2005，20(1):11－13.

[11]溫 柔.半剛性鋼框架抗震性能設計[D].安徽:合肥工業(yè)大學，2006.