帶懸臂梁段拼接的梁柱連接的研究現狀和發展

馬 良

0 引言

帶懸臂梁段拼接的梁柱連接節點是一種新的節點形式,目前在我國已有應用,我國的鋼結構規范也將這種節點形式收入并推薦使用[1]。帶懸臂梁段拼接的梁柱節點采用工廠制作,工地高強螺栓拼接,這樣就克服了工地現場焊接質量不易控制的缺點,同時具有較好的耗能能力、變形能力和方便施工的特點。

1 帶懸臂梁段拼接節點的研究現狀和發展

1)2002年,蘇州科技學院的李啟才[2]副教授通過對國內外鋼梁拼接在靜力和地震荷載作用下的設計方法進行了分析和比較,并提出了拼接點位置的確定,抗震設計時螺栓的選擇以及非抗震設計時彎矩和剪力在梁翼緣、腹板之間的分配等建議,具體建議如下:a.本著節約拼接材料又不影響梁端塑性鉸發展的目的,拼接節點應盡量靠近梁在均布荷載作用下的反彎點處,且盡量遠離塑性鉸。即在照顧運輸限制的同時,盡量取靠近梁端0.21倍的梁跨處,遠離梁端0.1倍的跨度或2倍的梁高之處;b.螺栓直徑的選擇與被連接鋼材的材質、螺栓的等級、摩擦面的滑移系數以及較薄一側的鋼板總厚度有關;c.非抗震設計選用拼接點處實際彎矩和剪力值,盡量讓翼緣承擔所有設計彎矩,多余由腹板承擔,腹板承擔剪力及剪力偏心引起的附加彎矩。

2)2002年,蘇州科技學院的李啟才[3]副教授為了檢驗帶懸臂梁段拼接的梁柱連接抗震性能,對4個試件進行了循環加載試驗。試驗側重于對拼接節點的研究,采用10.9級高強螺栓摩擦型連接,翼緣和腹板全部拼接。試驗結果表明:螺栓拼接節點的延性遠好于梁柱焊縫連接;較弱拼接節點的延性遠好于梁柱焊縫連接;但滑移伴隨有劇烈的響聲,會使人產生心理恐慌。根據試驗結果提出了設計建議:盡量將拼接設計得弱些,可以提高梁柱連接的轉動能力,減少地震作用向梁柱連接焊縫的輸入,延緩焊縫的脆性破壞。

3)為了了解摩擦型高強螺栓連接性能,李啟才[4]副教授對5個試件進行了抗滑移系數、屈服強度和極限承載能力的試驗研究。結果表明用鋼絲刷清除浮銹處理的摩擦面抗滑移系數達不到規范給定的數值;連接的屈服強度和極限承載能力很接近連接板材的相應強度,加大或減小螺栓的預拉力只對連接出現滑移時的荷載有影響,對連接的其他性能并無明顯影響。并給出了設計建議:a.用鋼絲刷清除浮銹或未經處理的干凈軋制表面的Q235鋼材的抗滑移系數達不到0.3,建議將此值改小。因為在工程驗收時,如果抗滑移系數達不到設計要求,需返工重新處理,而若仍采用同樣的方法,很難達到0.3。b.抗震規范在梁的拼接設計中,將凈截面驗算作為構件極限承載能力設計的一部分,采用屈服強度,而實際上,在破壞時凈截面已達到或接近材料的實際抗拉強度,毛截面也進入了強化階段。建議在此驗算中,采用凈截面的設計抗拉強度。

4)2003年,李啟才[5]副教授通過對兩個帶懸臂梁段拼接的梁柱連接試件的設計和循環加載試驗結果的對比分析,指出可以利用接觸面的滑移和螺栓與孔壁的擠壓來消耗能量,減少地震作用向梁柱焊縫的輸入,提高連接的抗震性能。并根據分析結果提出了設計建議:a.在彈性階段,拼接節點的計算內力應取該處的實際內力,計算梁翼緣凈截面受力時,應考慮孔前傳力,翼緣的抗彎承載能力應取螺栓孔處的凈截面抗彎承載能力和螺栓連接的抗彎承載能力中的較小值,腹板分擔的彎矩應按整個拼接區承受的彎矩減去翼緣的抗彎承載能力計算。b.在極限承載能力階段計算翼緣凈截面承載力時,應采用鋼材的抗拉強度。c.提高接觸面的抗滑移系數,可以減少螺栓用量,并可利用滑移耗能,改善連接的抗震性能。

5)2004年,常鴻飛,夏軍武等[6]通過算例分析發現常規設計方法無法滿足樹狀柱的抗震要求,提出了對樹狀柱進行整體設計的必要性。提出可以從以下幾個方面進行考慮:a.節點形式。建議采用強度和剛度較高的全焊節點,并嚴格控制焊縫質量;b.設計方法。設計者在設計方法的選擇上要對比各方法的優劣,根據控制因素選擇合理的設計方法。同時在設計過程中,應該考慮梁柱節點和梁拼接節點之間的相互作用;c.構造措施。通過加強梁端(加蓋板、加腋)或削弱梁中部(截面局部削弱)的做法保證強節點。

6)2006年,夏軍武,常鴻飛[7]通過有限元模擬研究了鋼框架柱帶懸臂梁段拼接點在彈性極限狀態和塑性極限狀態下的應力分布規律,將其受力性能和變形能力與普通無拼接節點進行對比,分析兩種不同連接節點的變形性能和不同連接剛度對節點承載性能的影響。結果表明:雖然帶懸臂梁段拼接節點的梁翼緣、腹板均有所削弱,但其初始剛度和極限承載力受影響較小,且彈性剛度高于無拼接的焊接節點;而在塑性極限狀態下,帶懸臂梁段拼接節點的高強螺栓拼接會出現滑移,其轉動能力要高于無拼接節點,可見利用拼接滑移耗散地震能量輸入是可行的。

7)2006年,李啟才[8]副教授為了比較樹狀柱鋼框架中各種鋼梁拼接設計的抗震性能,對幾種常用的拼接設計進行了有限元滯回性能的模擬對比分析。分析采用三維三重非線性有限元,完全考慮了螺栓預拉力、螺栓頭(帽)與板的相互作用、螺栓桿與孔壁的相互擠壓作用、接觸面的摩擦作用。通過分析,得出以下結論:a.拼接設計時,假定腹板不承受彎矩的設計方法,對于翼緣對接焊接、腹板拼接的連接形式并不適用;b.翼緣對接焊縫連接、腹板螺栓拼接的梁柱連接,其性能與沒有進行梁的拼接的梁柱連接性能基本相同。只是采用了拼接以后,梁柱連接處的對接焊縫由現場焊接改為工廠焊接,連接性能更加可靠。但是這種連接出現不了螺栓的滑移和螺栓與孔壁的擠壓耗能,在地震區使用時,其性能不能得到完全發揮;c.對于剛性框架中梁的翼緣和腹板都采用高強螺栓拼接的較好的設計方法應該是在計算翼緣的凈截面承載能力時,考慮孔前傳力,盡量讓翼緣的拼接承擔較多的彎矩,以減少拼接材料和施工的總費用。

8)2008年,袁素榮[9]根據鋼框架強節點弱構件的抗震設計原則,以兩種方式對樹狀柱梁柱節點進行加強,然后用三維有限元模擬分析,并進行對比。ANSYS模擬結果表明:a.從計算的應力分布可知梁柱節點區翼緣根部存在高應力集中區,需要加強;b.通過在梁端翼緣加寬或加蓋板可以明顯地將翼緣根部的高應力集中區外移,說明這兩種梁有較好的抗震性能,能夠真正做到“強節點弱構件”;c.加蓋板型變截面梁上翼緣處應力集中程度小于翼緣加寬型變截面梁,且加蓋板型變截面梁的抗震能力略高于翼緣加寬型變截面梁;d.雖然這兩種形式都能對節點形式加強,但梁端翼緣加寬型變截面梁比加蓋板型變截面梁節省鋼材;e.加強的梁端塑性轉角(梁端塑性位移除以梁長)才能達到0.03 rad。

2 結語

文中介紹了鋼框架柱帶懸臂梁段拼接點的國內研究現狀與發展過程。由于其具有諸多的優點,可廣泛應用于各類建筑結構中,具有廣闊的發展前景。針對現階段設計時,按純鋼結構設計,不考慮混凝土板作用的實際情況,作者將進行帶樓板的鋼框架中拼接點的耗能性能試驗研究,以期了解混凝土板對拼接點的影響,為設計提供依據。

[1] GBJ 50017-2003,鋼結構設計規范[S].

[2] 李啟才,陳紹蕃,王萬禎.鋼梁螺栓拼接設計方法的分析與建議[J].建筑結構學報,2002,32(2):7-9.

[3] 李啟才,蘇明周,顧 強,等.帶懸臂梁段拼接的梁柱連接循環荷載試驗研究[J].建筑結構學報,2002,24(4):54-59.

[4] 李啟才,顧 強,蘇明周,等.摩擦型高強螺栓連接性能的試驗研究[J].西安科技學院學報,2003,23(3):322-327.

[5] 李啟才,蘇明周,陳愛國,等.帶懸臂梁段拼接的梁柱連接節點試驗分析[J].工業建筑,2003,34(6):74-76.

[6] 常鴻飛,夏軍武,吳 渭,等.鋼框架樹狀柱節點整體設計研究[J].建筑鋼結構進展,2004,7(3):49-51.

[7] 夏軍武,常鴻飛.鋼框架柱帶懸臂梁段拼接節點的彈塑性分析[J].中國礦業大學學報,2006,35(5):596-601.

[8] 李啟才,顧 強.樹狀柱框架中鋼梁拼接的抗震設計有限元模擬對比[J].蘇州科技學院學報,2006,19(2):1-5.

[9] 袁素榮,李啟才.樹狀柱鋼框架梁柱連接節點加強型式的有限元分析[J].蘇州科技學院學報,2008,21(2):27-29.