水平荷載作用下半剛性連接組合梁鋼框架設(shè)計(jì)

巢滄海 劉秀華

0 引言

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中[1]，將節(jié)點(diǎn)假定為鉸接或剛接，節(jié)點(diǎn)特性直接融入結(jié)構(gòu)分析中，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)根據(jù)結(jié)構(gòu)分析對節(jié)點(diǎn)所作的假定(鉸接還是剛接)作為設(shè)計(jì)的最后一步來完成。雖然所有框架梁柱節(jié)點(diǎn)實(shí)際上都是半剛性的，不存在理論上的鉸接或剛接，但以往的規(guī)范總是采用剛接或鉸接的假定進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。實(shí)際上對于低層建筑不需設(shè)置水平支撐而框架本身就能提供足夠的水平抗力以抵抗風(fēng)荷載的作用，半剛性節(jié)點(diǎn)所具有的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度使之能對結(jié)構(gòu)中的彎矩分布進(jìn)行優(yōu)化，從而優(yōu)化重力荷載及彎矩分布，采用半剛性節(jié)點(diǎn)可使鋼框架結(jié)構(gòu)更有效、更經(jīng)濟(jì)。

1 半剛性連接組合梁框架設(shè)計(jì)步驟

結(jié)合我國GB 50017-2003規(guī)范的內(nèi)容，給出如下較為簡單實(shí)用的半剛性連接組合梁鋼框架設(shè)計(jì)建議。其設(shè)計(jì)步驟如下:

1)根據(jù)建筑布置，按豎向荷載組合考慮梁的承載能力初步設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)，確定框架柱和鋼梁及組合梁的尺寸;2)根據(jù)初步確定的組合梁尺寸，求得梁的等效剛度，按王靜峰[4]建議的方法進(jìn)行豎向荷載作用下框架的正常使用極限狀態(tài)及承載能力狀態(tài)的驗(yàn)算。如不能滿足要求，重新調(diào)整構(gòu)件尺寸及相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)剛度;3)框架側(cè)移驗(yàn)算;4)框架整體結(jié)構(gòu)極限水平承載力驗(yàn)算;5)根據(jù)GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[5]進(jìn)行柱的極限承載力驗(yàn)算;6)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì):根據(jù)所確定的梁、柱尺寸及相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)剛度和承載力，進(jìn)行半剛性連接組合節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)示例

某3層兩跨框架，跨度6 m，層高 3 m，荷載標(biāo)準(zhǔn)值為:恒荷載、活荷載分別為:30 kN/m及12 kN/m;柱頂恒載3層為15 kN，其余為 30 kN;風(fēng)荷載、地震荷載1層為9 kN及 15 kN，2層為18 kN及15 kN，3層為 24 kN及10 kN。鋼材采用Q345B，螺栓10.9級M22，鋼—混凝土組合樓蓋，混凝土強(qiáng)度等級為C30，φ 19圓柱頭焊釘作連接件，采用平端板半剛性連接組合梁框架，試設(shè)計(jì)該框架。

1)初步確定框架梁采用HN300×150×6×10，柱采用HW250×250×9×14，柱腹板設(shè)有加勁肋，配筋率0.8%，壓型鋼板波高76 mm，波距344 mm，現(xiàn)澆75 mm厚混凝土，如圖 1所示，有關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 梁、柱有關(guān)參數(shù)

2)根據(jù)初步確定的組合梁尺寸，得 Ieq=2.428×108mm4，對于半剛性連接組合梁框架而言，取r=0.6～0.8比較經(jīng)濟(jì)合理，在此取 r=0.7，得 ieq=4.49×103kN?m[6]。

采用底部剪力法對各樓層進(jìn)行計(jì)算見表2。

FEK=Geqα1=1 293×0.04=51.7 kN 。

表2 底部剪力法的計(jì)算

根據(jù)表1，表2的有關(guān)參數(shù)，計(jì)算等效剛接框架的側(cè)移，見表3。

表3 等效剛接框架側(cè)移值

在風(fēng)荷載及地震荷載作用下均滿足規(guī)范要求(見表3)。根據(jù)規(guī)范要求，判斷是否需考慮二階效應(yīng)，其計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 等效剛接框架二階效應(yīng)

由計(jì)算結(jié)果可知本例不用考慮二階效應(yīng)。

3)框架整體結(jié)構(gòu)極限承載力驗(yàn)算。

節(jié)點(diǎn)有關(guān)參數(shù)取值如下[6]:

計(jì)算半剛性連接組合梁框架的內(nèi)功為:

外力所作功為:Wext=24×9+18×6+9×3=351＜Wint;

半剛性連接組合梁框架整體極限承載力滿足要求。

4)組合梁正彎矩承載能力驗(yàn)算。

5)柱的極限承載力及穩(wěn)定驗(yàn)算。

邊柱總的軸向力為:N=604 kN;中柱總的軸向力為:N=1 040 kN。

同理可得邊柱強(qiáng)度亦能滿足要求。

穩(wěn)定復(fù)核(中柱):φx=0.955，φy=0.890，N′EX=21 709 kN;

同理，邊柱亦能滿足要求。

6)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì):根據(jù)所確定的梁、柱尺寸及相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)剛度和承載力，半剛性組合梁、柱連接節(jié)點(diǎn)平端板采用200×14×330，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造見圖2。

進(jìn)行半剛性連接組合梁框架組合節(jié)點(diǎn)有關(guān)參數(shù)計(jì)算，所選用的節(jié)點(diǎn)滿足剛度、彎矩承載能力及轉(zhuǎn)動(dòng)能力的要求[6]。

表5 三層兩跨框架的經(jīng)濟(jì)性比較

3 經(jīng)濟(jì)評價(jià)

為了分析半剛性連接組合梁框架良好的經(jīng)濟(jì)性，將上例分別按不同結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，在滿足相同要求的條件下，對其各自用鋼量進(jìn)行比較見表5。

4 結(jié)語

通過分析可以得出以下結(jié)論:1)對于半剛性連接組合梁框架可以采用簡化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì);2)在水平荷載作用，滿足相同要求的條件下，半剛性連接組合梁框架比其他形式鋼結(jié)構(gòu)框架具有較明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，與常規(guī)剛接鋼框架結(jié)構(gòu)相比可節(jié)約鋼材48%，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

[1] J.M.Cabrero，E.Bayo.Development of practical design methods for steel structures with semi-rigid connections[J].Engineering Structures，2005(27):1125-1137.

[2] Comite European de Normalisation(CEN).Eurocode No.3:design of steel structures，part 1.8 ，Design of Joints，prEN，1993-1-8.

[3] Steenhuis M ，Weynand K ，Gresnigt AM.Strategies for economic design of unbraced steel frames[J].Journal of Constructional Steel Research，1998 ，46(1-3):88-89.

[4] 王靜峰.豎向荷載作用下半剛性連接組合框架的實(shí)用設(shè)計(jì)方法[D].上海:同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文，2005.

[5] GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6] 劉清平.水平荷載作用下半剛性連接組合框架的實(shí)用設(shè)計(jì)方法[D].上海:同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文，2006.