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节点刚度对轻型门式刚架结构设计的影响3荆 军 石永久(清华大学土木工程系 北京 100084)摘 要:介绍了工程上通常采用的端板连接形式,并采用有限元模型对连接节点的变形特征进行了分析,研究了节点刚度变化对刚架设计的影响,并结合工程实际提出了设计建议。关键词:端板连接 门式刚架 节点刚度 轻型钢结构EFFECT OF JOINT STIFFNESS ON STEEL PORTAL FRAME DESIGNJing JunShi Yongjiu(Department of Civil Engineering,Tsinghua UniversityBeijing100084)Abstract:The joint is assumed as rigid connections and its deformation is neglected in portal frame analysis.Using finite element method,this paper has analyzed the moment2rotation characteristics of typical end2plateconnections.The effect of joint stiffness on portal frame design was investigated.Finally,some design suggestionsare recommended.Keywords:end2plate connectionsportal framejoint stiffnesslight steel structure3 本项目由国家自然科学基金资助(59878026)。第一作者:荆 军 女 1973年5月出生 硕士生收稿日期:2000-02-10 端板连接是轻型门式刚架房屋钢结构中最常用的连接形式,通常有外伸式和平齐式2种形式。我国新颁布的 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程1(CECS102:98)(以下简称“轻钢规程”)中推荐采用端板连接作为主要的梁柱连接(图1)和构件现场拼接节点。图1 梁柱连接形式(a)-端板竖放;(b)-端板平放;(c)-端板斜放在门式刚架结构分析中,梁柱连接通常作为刚接节点进行计算和设计,实际上当端板连接的刚度不足时,达不到刚性连接的要求,需要按半刚接考虑。如果把半刚性节点当成刚接节点计算的话,实际结构产生的挠度和变形会大于计算结果。由于端板连接节点受力状态复杂,精确计算十分困难1,2,目前国内还没有半刚接节点的设计方法,因此,有必要研究节点刚度对门式刚架变形的影响,以便在进行刚架设计时考虑。1 门式刚架节点变形特征111 节点计算模型和方法本文采用有限元程序SAP93对典型端板梁柱节点进行了分析。连接中的主要部件,如梁翼缘、梁腹板、柱外翼缘和柱腹板采用板单元,而端板、柱内翼缘、螺帽和螺母采用八节点实体等参单元,螺杆用一定数目的杆单元模拟。这样可以在得到螺栓内力的同时得出螺栓抗弯情况,端板和柱翼缘的接触面用只能受压、不能受拉的界面单元模拟。由于85Industrial Construction 2000,Vol130,No15工业建筑 2000年第30卷第5期http:/连接板间的接触面只能传递压力不能传递拉力,在每级荷载作用下,都通过逐步迭代,仅保留受压区的界面单元。计算过程中逐级加载,得到梁端转角和作用弯矩M之间的变化关系。本文对3种典型梁柱节点形式进行了分析,比较了不同节点形式、端板厚度、螺栓等级等因素对节点变形和刚度特征的影响。考虑工程设计实际,通常在柱节点域的受拉和受压翼缘处设置横肋,节点的计算模型都采用了这种做法,但是只有部分节点设置了节点域的抗剪加劲肋。共分析了8个节点,4号节点采用1019级M20高强度螺栓,其余节点均采用818级M20高强度螺栓,图2示出了主要的计算节点参数。图2 计算节点参数示意(a)-节点1、2、3、4,端板厚分别为10 mm、20 mm、20mm、20 mm;(b)-节点5,端板厚20 mm;(c)-节点6,端板厚20 mm;(d)-节点7,端板厚20 mm;(e)-节点8,端板厚20 mm112 计算结果计算所得各节点的弯矩-转角曲线如图3所示,节点转角 定义为梁柱轴线间夹角的改变量。通过对计算结果进行分析可以得到:图3 节点弯矩M-转角曲线注:图中18对应相应的节点18(1)端板连接节点受弯会产生一定的相对转动,并不象计算假设的那样保持直角不变。因此,实际的端板连接节点并不是完全刚接节点,具有一定的转动刚度。(2)节点的转角主要由柱腹板区的剪切、螺栓伸长和端板弯曲变形产生,其中,端板弯曲和柱剪切相对更为重要。端板弯曲变形随厚度增加而减小,采用厚端板可使节点刚度增大。设置节点域抗剪加劲肋,也可起到减小节点剪切变形、增大刚度的作用。(3)平齐式端板的变形比外伸式大,节点刚度明显小于外伸式端板节点。而在外伸式端板连接节点中,以端板斜放节点的刚度为最大,这主要是由于端板斜放增大了抗弯力臂,同时又大大减小了节点域剪切变形。在柱和梁的截面尺寸比较接近时,端板平放与端板竖放节点的刚度比较接近。(4)当节点构造的其它参数相同时,仅仅提高螺栓的强度等级对节点刚度没有明显的提高。2 节点刚度对刚架变形的影响211 计算方法为了研究端板连接刚度对刚架计算的影响,特别是对刚架变形的影响,本文采用有限元方法,将端板连接节点简化为具有一定转动刚度的弹簧连接单元,利用SAP93软件中的读入刚度矩阵功能,将节点的单元刚度矩阵集合到刚架的整体刚度矩阵中进行刚架计算,分析了刚架在竖向和水平荷载作用下的变形情况,计算模型如图4所示。选取轻钢规程中列出的典型单跨门式刚架进行比较计算,梁柱截面为实际工程中采用的尺寸,刚架跨度为L=1836 m,檐口高度H=715 m。计算中屋面取坡度3%,分别计算了柱脚刚接和铰接时,刚架在竖向均布荷载作用下的跨中挠度w和柱顶水平力产生的柱顶水平位移u。212 计算结果分析由于只进行了刚架的线弹性分析,具有一定节点转动刚度的刚架应与完全刚接刚架的位移之比保持不变,为了便于比较,将计算95节点刚度对轻型门式刚架结构设计的影响 荆 军等中国科技论文在线http:/结果表示为跨中挠度放大系数 w=ws/wr和柱顶侧移放大系数u=us/ur,其中ws为具有一定转动刚度节点的刚架的跨中挠度;wr是完全刚接刚架的跨中挠度;us为具有一定转动刚度节点的刚架的柱顶水平位移;ur是完全刚接刚架的柱顶水平位移。假设刚接节点的转动刚度为412441010Nmm/rad(节点2),计算结果见表1。从表1可知:图4 刚架计算模型(a)-门式刚架;(b)-刚接刚架模型;(c)-具有一定节点刚度的刚架表1 端板连接对刚架位移的影响项 次跨度L/m18243036w柱脚刚接1.161.151.151.15柱脚铰接1.131.131.131.13u柱脚刚接1.091.071.051.04柱脚铰接1.171.141.121.11(1)柱脚刚接时,节点转动刚度对竖向荷载作用下的跨中挠度影响较大,而柱脚铰接时,对水平荷载作用下的柱顶水平位移则影响较大。(2)刚架跨度增大时,节点转动刚度的影响减小。由于计算中所有刚架的梁柱截面和节点刚度均相同,跨度大的刚架梁柱构件相对细长,构件的弯曲刚度较小,因而节点的相对刚度较大,也就更接近刚性节点的假设,因此计算所得的w、u较小。(3)考虑节点刚度影响后,实际刚架的变形比按刚接刚架计算增大5%15%,节点刚度对变形的影响不能完全忽略。3 考虑节点变形影响的设计建议(1)平齐式端板连接刚度较小,一般情况下达不到刚性节点的要求,在结构中不宜用作刚接节点。外伸式端板连接应在满足强度要求的同时,注意保证节点具有足够的刚度,避免结构产生过大的挠度和变形。外伸式梁柱节点可采用端板竖放、平放或斜放三种形式,通常情况下,端板竖放节点的设计内力较大,节点处弯矩和剪力较大,相应地变形也较大。端板平放节点的刚度与端板竖放节点比较接近,但设计内力较小,尤其是剪力较小,轴向压力较大,节点受力相对比较有利,因而,节点变形较小,对控制结构变形较有利。端板斜放节点刚度较大,明显大于同样梁柱截面的竖放和平放节点。当施工条件具备时可采用。但是,采用端板斜放节点时应注意保证节点构造尽量便于施工,同时,应在截面中部加设构造螺栓,避免截面中部端板产生过大的弯曲而脱开。(2)增大端板厚度可提高节点刚度,但并不是端板越厚越好。通常情况下,端板厚度满足“轻刚规程”的厚度计算公式即可,在此基础上再增大端板厚度对节点刚度的增大并不明显。(3)加劲肋对节点刚度的影响比较明显。对于端板竖放和平放的节点,应在柱的节点域设置加劲肋。“轻钢规程”中给出了验算节点域受剪的公式,建议在不满足剪切强度要求时设置加劲肋。但从减小节点变形、提高节点刚度的角度来看,柱节点域的加劲肋十分必要,建议将其作为一条必要的构造措施。06工业建筑 2000年第30卷第5期中国科技论文在线http:/(4)“轻钢规程”中给出了刚架挠度和水平侧移的限值,考虑端板连接刚度的影响,应严格控制计算出来的位移值。当假设端板连接节点为刚接时应将位移限值减小15%。4 结 论实践证明,端板连接是轻型门式刚架结构中构造简单、安装方便的连接形式,若设计合理可以得到令人满意的节点性能,反之也可能影响结构受力分析的结果,进而关系到结构的安全和正常使用。研究结果表明,端板连接的节点刚度对刚架设计影响很大,设计时应对刚架的变形控制提出严格的要求。参考文献1CECS102:98 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程2 李少甫.钢结构的螺栓端板连接.建筑结构,1998(8):24263Archibald N S,Mohammed R B.3D Simulation of End2Plate Bolted Connections.Journal of Structural Engineer2ing,1994,120(11)4Archibald N S,Mohammed R B.Finite Element Predictionof End Plate Bolted Connection Behavior.Journal of Struc2tural Engineering,1997,123(2)5Li T Q,Choo B S,Nethercot D A.Connection ElementMethod for the Analysis of Semirigid Frames.Journal ofConstructional Steel Research,1995,32:143171(上接第46页)(3)增大支护结构的刚度或加水平支撑或加固基坑下土体可以显著地减小支护结构的位移,尤其增加水平支撑不仅能显著地减小支护结构的位移,还能够降低结构的内力峰值。参考文献1 刘建航,侯学渊.基坑工程手册.北京:中国建筑工业出版社,19972 谭勇勇等.软土地层中考虑土与结构共同作用的支护结构设计计算方法.工业建筑,1999,29(5)3 杨林德.基坑支护位移和安全性监测的动态预报.土木工程学报,1999(2)动态关于举办“2000年无损检测领域新技术、新产品、新方法交流会”的通知 为了提高工程检测人员的专业水平,促进无损检测领域新技术、新产品、新方法的交流和应用,推动无损检测领域的高速发展,以充分反映近年来无损检测领域的最新成果与工程实践相结合为宗旨,拟定发起和组织2000年无损检测领域新技术、新产品、新方法交流会(简称“新交会”),其主要内容为:新技术应用;新产品介绍;新方法交流;工程质量检测方面有关规范的新的界定与发展;专项技术培训。会议期间,将邀请国内著名的专家、学者做学术或技术专题报告,进行相关领域的专项技术培训,邀请相关产品的研制生产单位做新产品、新成果的发布与演示,邀请有关专家就国内工程质量检测方面的有关规范界定做专题讲座。2000年“新交会”由北京康科瑞工程检测技术公司、陕西省建研院、北京市建设工程质量监督总站、全国建筑工程检测信息网联合主办,在与合办单位的共同策划组织下,拟定于6月6日9日在西安市举行,会期4天,6月5日全天报到。报到地点及行车路线将在第2号通知中公布。热诚欢迎各研究院所、大专院校的教授、学者和有关工程勘测、设计及质量监督、检测领域的专家和专业人员以及各无损检测仪器厂家出席。参会人员每人会务费、资料费、考察费合计800元;厂家另交参会费1 500元,自行准备资料,会议安排时间做产品介绍;参会者食宿自理。会务组联系人:张立平 魏黎民地址:100037 北京市西城区百万庄大街3号康科瑞公司电话:[phone]/转806、804、80516节点刚度对轻型门式刚架结构设计的影响 荆 军等中国科技论文在线http:/