輕型門式剛架設計中的一個重大問題

蔡益燕

最近，我國 《門式剛架輕型房屋技術規程》CECS102的主要編制人、德高望眾的陳紹蕃教授，以93歲高齡不辭辛勞，提出了題為《把輕型門式剛架梁柱連接設計成剛節點》的重要論文，指出《規程》存在的重大缺陷——沒有明確說明做成剛節點的重要性和必要性，相關規定也不夠完整，以致一些設計的門式剛架、梁柱連接達不到剛性節點要求，影響到結構性能。

論文指出，這種連接通常被看成是半剛性連接。用于多層框架時，認為半剛性連接可以調節梁端和跨中的彎矩，使達到大體相等以節約材料。這種連接被認為具有很好的轉動能力，有利于框架的抗震性能。如果設計得當，螺栓端板連接也可以做成剛節點。 《規程》就是這樣對待梁和柱的連接的。作者語重心長地指出： “如果梁柱連接的轉動剛度和理想剛節點相去較遠，而仍然按理想剛架分析內力，并按《規程》的條文確定柱計算長度，將導致門式剛架的可靠度不足，甚至會釀成事故”。以上評述確切、中肯、及時，此前沒有任何人指出，使我們深受教益，值得編制組成員深思，對廣大結構設計人員也是一次難得的學習機會。

論文指出，半剛性連接不僅使框架的位移增大，還使其承載力下降。輕型門式剛架自重和屋面荷載都很輕，地震作用很小，不需要耗能能力強的半剛性連接。振動臺模型擬靜力試驗表明，結構在8度和9度多遇地震下仍基本處于彈性階段，且承載力有較大儲備。容許輕型門式剛架的連接剛度不足是不適當的，把輕型門式剛架設計成剛節點十分必要。

論文對以往的一些研究工作和現狀作了綜述，提出一些令人感興趣的事實。端板的厚度是根據構件和加勁肋支承的板區按螺栓拉力作用下的強度計算得出的，沒有考慮剛度要求。當端板的外伸部分增設三角形豎向加勁肋后，端板厚度顯著減小，從而可能導致節點剛度不足。有一項試驗研究完成了兩個門式剛架節點試驗，一個是端板斜放的梁柱連接節點，另一個是屋脊處梁拼接節點。前者沒有達到剛節點的要求，而且相差頗多，端板厚度14mm，小于螺栓直徑 （16mm），估計端板厚度偏小是主要原因。另一項試驗研究完成了7個外伸式端板的節點試驗，模擬多層框架的邊柱節點，結論是都屬半剛性連接；梁和柱之間的相對角變位大部分由節點域剪切變形引起。用有限元分析螺栓端板連接的性能的研究也不少。有一項分析研究得出，受拉翼緣處的端板間縫隙最大達到0.7mm，主要因為端板中部未設置螺栓，在翼緣拉力作用下端板變形。有一項研究分析了三種不同跨度、兩種不同柱腳的門式剛架，得出的結論是：在節點域設置斜加勁肋，可以作為剛性節點進行設計計算。另一項分析研究提出，節點域斜加勁肋十分必要，建議作為必要的構造措施來對待，而不是按《規程》規定的“不滿足剪切強度要求時設置”。還有一項研究雖然說“外伸式端板經過合理設計，可以達到剛性節點的要求”，但并未指出合理的設計方法。

陳老師用一系列事實說明，按《規程》設計的輕型門式剛架設計達不到剛節點的設計要求。我們過去強調端板連接的半剛性連接和它調節彎矩和耗能能力的性能，認為內力小時是剛接，內力大時是半剛接。在MBMA低層房屋手冊的歷次版本中，強調了這種結構的實際位移比計算值小很多，也使我們認為端板連接剛度是不成問題的；按MBMA提供的梁柱連接標準形式去設計，看重面板的蒙皮效應，忽視了框架本身的剛度要求，沒有想到對節點剛性會存在什么問題。中國建筑東北設計院原總工李和邦幾年前曾對門式剛架的柱頂節點剛度提出疑問，對《規程》節點域承載力驗算公式是否足以保證節點的抗彎剛度表示懷疑，他直觀感到它承擔不了剛架的彎矩，會同遼寧省建筑金屬結構協會會長曹英一道，立了課題，作了模型試驗。但他們仍持強度觀點，沒有意識到剛架節點還有剛度要求，也提不出任何剛度準則。我們當時提出，當節點域承載力不足時可以設置斜加勁肋，問題也就不了了之。 《規程》的節點域采用了類似高鋼規程中的強度計算公式，門式剛架柱腹板一般較薄，節點域因而也很薄，提出疑問是很自然的。高鋼規程對節點域承載能力不足時要求補強，而《規程》卻沒有要求補強，提出不足時設置斜加勁肋。斜加勁肋沿對角線設置防礙螺栓操作，無論端板豎放或平放都使螺栓擰緊操作不便。編制組根據讀者要求補充提出了斜加勁肋布置由設計人員自定。但是，內力計算按理想剛架，實際結構又達不到理想剛架要求，確實不妥， 會影響結構性能，可能引發安全問題，值得嚴重警惕。為了消除這種不合理的情況，端板應適當加厚，節點域也要適當加厚，陳老師已經提出具體建議?，F在亡羊補牢，還來得及。我們感謝陳老師的重要提醒和及時指導，感謝提供的剛節點設計標準和方法，對提出的一系列設計建議，我們堅決照辦。

《規程》目前正在修訂，編制組將按陳老師的建議，擬出梁柱剛性連接節點的設計要求，經陳老師審閱后先行刊載，以供設計急需。