淺析鋼結構中半剛性節(jié)點的應用

羅鳳

摘 要：隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，建筑行業(yè)也應用了越來越多新型的技術。比如當前得到普遍應用的鋼結構，相對于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構而言，鋼結構的好工周期更短，承載能力更高，且還具有重量輕的優(yōu)勢，在高層結構中得到了廣泛的應用。而節(jié)點作為鋼結構的主要構成部分，只有保證其施工安裝的有效性，才能確保鋼結構的使用性能。因此，本文主要對鋼結構中半剛性節(jié)點的應用進行分析。

關鍵詞：鋼結構；半剛性節(jié)點；應用

1 前言

在當前的建筑結構的設計施工中，雖然鋼結構由其高強度和延伸性良好的優(yōu)勢得到了廣泛的應用，但由于其還存在著易屈曲、失穩(wěn)及脆性破壞的問題，阻礙了鋼結構施工穩(wěn)定性的提升，而這些問題很多都發(fā)生在節(jié)點位置。為降低鋼 結構節(jié)點問題的發(fā)生幾率，就需要對半剛性的節(jié)點進行研究應用，從而提升建筑的穩(wěn)定性與安全性。

2 半剛性連接的主要類型及其受力性能

2.1 節(jié)點剛度的一般分類

鋼結構的節(jié)點主要有三種類型，分別是剛性連接、半剛性連接以及理想鉸接連接。通常情況下，在對傳統(tǒng)的鋼結構進行設計時，主要將梁柱連接劃分為剛接及鉸接等。其中，剛接指的是梁柱間的傳力有著連續(xù)性特點，并且可以把剪力及彎矩的大部分由梁傳至柱，梁柱間所具有的夾角不發(fā)生改變。而鉸接指的則是梁和柱間僅僅只傳遞剪力但沒有彎矩的傳遞過程。但在實際的應用過程中，對于鋼框架而言，其在梁柱間則不可避免會有一定程度相對轉動的出現(xiàn)，也就是梁柱間的連接剛度是受到限制的。同時，相關的實驗也表明，對于鋼結構的很多節(jié)點來說一般很難達到以上兩種理想狀態(tài)，大多連接節(jié)點的受力形式介于這兩者之間，也就是我們通常說的半剛性連接。

2.2 半剛性連接節(jié)點的主要類型

一般情況下，都需要利用摩擦型的高強螺栓以及連接件，也就是角鋼、短T型鋼以及端板將梁與柱進行連接。最為常見的半剛性連接節(jié)點主要為：外伸端板的連接，T型的鋼連接，雙腹板角鋼的連接，以及頂?shù)捉卿摰倪B接。而由于外伸端板的連接有主傳力路線明確以及計算簡單的優(yōu)勢，在當前的剛結構設計中得到了極為廣泛的應用。而T型鋼連接則具有剛度較大的優(yōu)勢，在高層的鋼框架結構也得到一定程度的應用。頂?shù)捉卿?、雙腹板角鋼則由于其有著極其復雜的破壞形式，且承載力的離散程度很大，并且會有較多的因素對其承載力造成影響，所以在當前的建筑工程中還未得到較多的應用。

2.3 半剛性連接節(jié)點的受力性能

就以單梁為例，在均布荷載q的作用下，比如單梁的兩端連接主要利用了剛性連接、鉸接以及半剛性的連接，梁有1跨度。根據(jù)結構力學的方法進行計算，則剛性節(jié)點的梁，其梁端彎矩是ql2/12，跨中彎矩為ql2/24；鉸接梁的梁端彎矩是0，跨中彎矩則是ql2/8。但半剛性的連接梁，其梁端的彎矩及跨中的彎矩則直接受半剛性連接剛度的影響，其剛度若趨近+∞，就證明其半剛性的連接屬于剛性連接。但其剛度若與0接近，此連接就認定為鉸接。所以，半剛性連接節(jié)點的梁端彎矩的區(qū)間為（0，ql2/12），連接的剛度越大則其梁端的彎矩就越大。結構在地震的發(fā)生過程中會有桿件與連接處的塑性鉸出現(xiàn)，若應用剛性連接，一般都在梁的跨中位置呈現(xiàn)。但若是半剛性的連接，則其就會利用節(jié)點的屈服轉動將地震波產(chǎn)生的能量吸收，塑性鉸就會在梁柱的連接節(jié)點處出現(xiàn)。這樣的背景下，通過對于半剛性的連接節(jié)點的應用，就促使節(jié)點的變形能力以及耗能能力與延性得到了有效的提升。

3 半剛性連接節(jié)點鋼框架的規(guī)定與研究現(xiàn)狀

美國規(guī)范中的結構連接形式主要是有完全約束型FR（fully restrained）與部分約束型PR（partially re-strained）。規(guī)范中則對于連接設計進行了重點的強調，剛度、強度及變形等因素的相互作用具有非常重要的影響，這樣的分類主要是來自于連接的彎矩轉角之間所存在的曲線關系，通過對于連接剛度及梁的剛度之間的比值進行的分類。規(guī)范中對于半剛性的連接也規(guī)定其要應用一種經(jīng)過簡化的二階效應的計算方式，但其設計規(guī)范則只對于設計及計算的一般原則進行了制定，其原則具體的量化工作還需要設計人員進行細化。

歐洲規(guī)范中根據(jù)有支撐框架及無支撐框架將其框架連接形式主要劃分成了剛接、半剛接以及鉸接，并也對彎矩轉角的曲線關系也進行了非常具體的分界值。而其規(guī)范所應用的分類方法只對節(jié)點的極限承載能力的情況，還沒有對其正常的使用范圍及狀態(tài)進行規(guī)定。因為，梁柱單元其在極限承載能力的狀態(tài)下，是一定會出現(xiàn)塑性變形情況下，所以這樣的假定也是對于梁柱單元所具有剛度的高估。

我國的GB50017—2003《鋼結構設計規(guī)范》中，則將框架劃分成為了三類，分別是無支撐的純框架、強支撐的框架以及弱支撐的框架。其中也包含了框架結構中剛性連接、鉸接、半剛性的連接節(jié)點的一些概念，但還沒有對于在其設計中的影響進行深入的研究。而對無支撐純框架中，其側向的剛度一般是通過剛架本身進行提供的，構件之間的連接若假定其要求是完全的剛接，就使得連接處的作業(yè)量得到了增加，不僅費時，還非常費力。在強支撐的框架結構中，剪力墻與其他的有效支撐體系給其提供了足夠的側向剛度，構件之間的連接若設定為完全的鉸接，則梁柱只能夠承受得了豎向的荷載，就會導致有較大尺寸梁的出現(xiàn)，同時要求其它的結構對其側向的荷載進行承擔。也就是說，在我國的規(guī)范中，最為現(xiàn)實與經(jīng)濟的鋼結構連接設計其實就是半剛性的連接節(jié)點。在鋼結構設計中應用半剛性的連接節(jié)點，不僅會降低其成本，其連接處的剛度也可以得到有效的利用。

而隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，科學技術水平的不斷提升，國內(nèi)外的大量研究學者對于鋼結構半剛性節(jié)點主要進行了以下內(nèi)容的研究。首先，是對于計算半剛性節(jié)點的方法及理論的研究。其次是通過大量的實驗研究了動靜力性能。最后還通過有限元的方式更為精確地對節(jié)點開展了數(shù)值模擬實驗。

4 總結

綜上所述，自從半剛性連接在鋼結構中應用以后，由于其所具有的動靜力性能就受到了建筑行業(yè)的廣泛關注。而通過本文的研究也能夠發(fā)現(xiàn)，在對半剛性連接節(jié)點進行應用以后，不僅與實際的施工情況非常接近，更是使得結構的抗震性能得到了有效的提升，使得鋼結構所具有的抗震性能好的優(yōu)勢得到了充分的發(fā)揮。此外，還還有效降低了結構的連接成本，實現(xiàn)了成本的節(jié)約，因此在當前的建筑的建設施工過程中，其受到了廣泛的應用。

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