一种半刚性节点初始刚度的组件式获取方法.pdf

本发明公开了一种钢结构半刚性节点转动初始刚度的分析及获取方法，该方法首先识别在荷载作用下节点被激活与不被激活的承载机制，然后把节点拆分为一系列等效T型件，建立T型件的组件式模型，并用组件式方法获得T型件的初始抗拉及抗压刚度值；接着把T型件用具有相同刚度的弹簧模拟，把整体节点模拟为一系列弹簧与杆件组成的组件式模型，最后计算获得节点组件式模型的初始转动刚度，并用三折线准则，预测并获取节点的塑性阶段与强化阶段刚度。本发明克服了现有欧洲规范对于钢结构半刚性节点设计计算中由于组件种类较多及组件之间的联系复杂引起的对节点性状模拟的失真及所获得结果不够精确的问题，具有较高的准确性和可靠性。

1.一种钢结构半刚性节点转动初始刚度的分析及获取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： （1）识别在荷载作用下节点被激活与不被激活的承载机制，被激活是指在某种荷载状态下参与工作，未被激活是指在某种荷载状态下未参与工作； （2）根据被激活而参与工作的组分情况把节点拆分为一系列等效T型件； （3）根据T型件的几何和力学参数，建立T型件的组件式模型，并用组件式方法获得T型件的初始抗拉及抗压刚度值； （4）把T型件用具有相同刚度的弹簧模拟； （5）把整体节点模拟为一系列弹簧与杆件组成的组件式模型； （6）计算获得节点组件式模型的初始转动刚度； （7）用三折线准则，预测并获取节点的塑性阶段与强化阶段刚度。

一种半刚性节点初始刚度的组件式获取方法

技术领域

本发明涉及钢结构建筑物设计建造领域，尤其涉及一种钢结构的半刚性节点初始刚度的获取方法。

背景技术

钢结构是土木、水利、交通、矿山等行业重要的建筑物结构形式，广泛应用于国民经济发展的各个领域。

节点是建筑结构中的关键连接部分，节点性能直接影响框架结构在荷载作用下，尤其是动力荷载作用下的整体行为，对于整个结构的受力与安全具有重大影响。一旦节点发生破坏，结构构件再强也不能发挥作用。以往常将框架的梁柱连接简化成理想铰接或完全刚接。事实上，工程节点很难做到是完全刚接或者理想铰接。在欧洲规范（EuroCode3、EuroCode4）以及日本规范中，按框架转动刚度及有无侧移可分为刚性、半刚性和铰接节点三种类型。半刚性节点兼有另两者的优点，且允许有限转动并存在结构阻尼，故有利于结构的整体稳定与耗能。

总体上，现阶段对半刚性节点的力学性状掌握仍不够充分，中国钢结构设计规范（GB50017--2003）也并没有提出如何实现半刚性节点的设计计算、要求标准以及实施步骤等。欧洲规范EuroCode3将节点受荷性能拆分为一系列独立的基本组件，被激活组件的力学特性用具有相同或相近力学特性的弹簧来代表。基于组件法的节点模型不仅便于开展半刚性节点设计，而且非常适于含有大量节点的整体框架力学分析，已广泛应用于结构整体设计、倒塌及大变形计算、结构抗火等领域。因此非常有必要进一步研究和推广半刚性节点的组件式分析方法。

当前Eurocode3规范中，对节点的每个组件采用一个弹簧进行模拟，这种方法存在的问题是：（1）可能参与工作的组件种类较多，容易遗漏个别被激活的组件。（2）众多组件之间的联系复杂，造成对节点性状模拟的失真。与Eurocode3相比，本方法的不同在于以T型件为基本分析单元，并将每个T型件用一个弹簧来模拟。本方法的步骤更简洁和明确，并有针对性地提出了螺栓受拉组件刚度、翼缘弯剪组件刚度和腹板受拉组件刚度等的计算方法，节点组件式模型的弹簧数量减少，与试验成果对比可见，本方法获得的节点初始刚度具有更高的精度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种钢结构半刚性节点初始刚度的获取方法。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：一种钢结构半刚性节点转动初始刚度的分析及获取方法，包括以下步骤：

（1）识别在荷载作用下节点被激活与不被激活的承载机制，被激活是指在某种荷载状态下参与工作，未被激活是指在某种荷载状态下未参与工作；

（2）根据被激活而参与工作的组分情况把节点拆分为一系列等效T型件；

（3）根据T型件的几何和力学参数，建立T型件的组件式模型，并用组件式方法获得T型件的初始抗拉及抗压刚度值；

（4）把T型件用具有相同刚度的弹簧模拟；

（5）把整体节点模拟为一系列弹簧与杆件组成的组件式模型；

（6）计算获得节点组件式模型的初始转动刚度；

（7）用三折线准则，预测并获取节点的塑性阶段与强化阶段刚度。

本发明的有益效果是，本发明克服了现有欧洲规范对于钢结构半刚性节点设计计算中由于组件种类较多及组件之间的联系复杂引起的对节点性状模拟的失真及所获得结果不够精确的问题，具有较高的准确性和可靠性。

附图说明

图1为节点刚度获得方法流程图；

图2为T型件抗拉初始刚度获得方法流程图；

图3为T型件破坏模式示意图；

图4为T型件受力分析与组件式模型图；

图5为顶底角钢、腹板双角钢连接试验构件TC-1的几何参数（单位：mm）图；

图6为T型件连接试验构件TA-1的几何参数（单位：mm）图；

图7为外伸端板连接试验构件TB-1的几何参数（单位：mm）图；

图8为外伸端板连接试验构件TB-2的几何参数（单位：mm）图；

图9为试验构件TC-1的组件式模型图；

图10为试验构件TA-1的组件式模型图；

图11为试验构件TB-1和TB-2的组件式模型图；

图12为试验构件TA-1的弯矩-转角关系对比图；

图13为试验构件TB-1的弯矩-转角关系对比图；

图14为试验构件TB-2的弯矩-转角关系对比图；

图15为试验构件TC-1的弯矩-转角关系对比图。

具体实施方式

本发明的总体技术路线：

选择钢结构节点的T型件作为分析基本单元，根据T型件的力学性状和破坏模式，建立T型件的组件式模型。在此基础上把节点等效为一系列T型件的组合并最终获取节点的初始刚度。

下面结合附图详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图1所示，本发明基于组件发的钢结构半刚性节点初始刚度的获取方法包括如下步骤： 

步骤1：识别在荷载作用下节点被激活与不被激活的承载机制，被激活是指在某种荷载状态下参与工作，未被激活是指在某种荷载状态下未参与工作。

一般梁柱节点被激活而承受荷载的承载机制有螺栓受拉、翼缘受拉弯剪腹板受拉与腹板受剪这几种受荷机制。

步骤2：根据被激活而参与工作的承载机制情况把节点拆分为一系列等效T型件。

在步骤1中掌握了被激活而参与工作的承载机制的分布及受力情况后，可把节点用一系列等效T型件的组合代替。由于可以认为被激活而参与工作的承载机制是相对独立的，所以这样并不改变节点整体的受力机制。

步骤3：根据T型件的几何和力学参数，建立T型件的组件式模型，并用组件式方法获得T型件的初始抗拉及抗压刚度值。

如图2所示，为T型件抗拉初始刚度获得方法流程图。首先在拉伸荷载工况下判别T型件中被激活而参与工作的各独立组件；然后通过计算或试验确定被激活组件的力学特性，包括螺栓受拉组件、翼缘弯剪组件和腹板受拉组件，并用具有相同或相近力学特性的弹簧来描述；最后将代表各独立承载机制的弹簧组合成节点简化模型，用以研究T型件的整体力学性能。

T型件受力性状、组件式模型及具体计算分析方法如下：

根据节点塑性铰出现的位置不同，在轴拉力作用下的T型件破坏模式可分为螺栓拉坏（Mode1）、翼缘产生塑性铰（Mode2）和联合破坏（Mode3）三种，如图3。进而可分析得被激活的是螺栓受拉、翼缘弯剪破坏以及腹板受拉三种受荷机制，即三种组件。首先分别计算这三种组件的最大承载力和刚度，然后整合得到整体T型件的力学特性。

1.螺栓受拉组件：

单个螺栓的最大受拉承载力为：

 ；                                                    （1）

f_yb为螺栓的屈服强度，A_b为单个螺栓截面面积。

单个螺栓的受拉极限承载力为：

  ；                                                   （2）

f_ub为螺栓的极限强度。

单个螺栓弹性阶段的初始刚度为：

  ；                                                    （3）

l_b为螺栓受拉长度，E为螺栓材料的弹性模量。

2.翼缘弯剪组件：

T型件翼缘的刚度取为翼缘板所受拉力与翼缘板在拉力作用下变形的比值，其中翼缘板在腹板拉力作用下的变形为：

  ；                          （4）

上式中，等式右侧第一项为弯矩产生的位移，第二项为轴力产生的位移，第三项为剪力所产生的位移。翼缘受荷刚度由腹板至螺栓（AB段）以及螺栓至翼缘板端（BC段）两部分刚度组成，表示为K_fv1，K_fv2。T型件AB段轴力的影响较小，故可近似只考虑受弯剪的影响，其变形为：

  ；                                             （5）

上式中、、为实际荷载引起的内力；、、为虚设单位荷载引起的内力；V为截面上所受的剪力；k为剪应变的截面形状系数，矩形截面可取6/5。

故AB段刚度为：

   ；                                   （6）

式中l_AB为A、B两点间距离，G为钢材剪切模量：

 ；                                                      （7）

取泊松比，则式（6）为：

      ；                                     （8）

其中，t_f为翼缘板厚度，A_vf为翼缘板截面积。

T型件BC段轴力与弯矩的影响均较小，故可近似只考虑剪力的影响，其变形为：

 ；                                           （9）

故BC段刚度为：

 ；                                             （10）

式中l_BC为B、C两点间距离。

T型件翼缘屈服破坏根据第四强度理论判断：

 ；                           （11）

式中、、为构件危险点处的三个主应力。为相当应力；为许用应力

故可推算出翼缘A点处竖直拉力最大值为：

 ；                                  （12）

式中为弯曲截面系数，其它符号同前。

考虑对称性，取A点处的翼缘弹簧拉力屈服限值为：

；                                                       （13）

类似地，B、C点之间的翼缘主要受剪力作用，剪应力达到时材料进入塑性状态，故最大抗剪强度为：

  ；                                                 （14）

W_z为弯曲截面系数，f_y.f为钢材的屈服强度，A_vf1为翼缘受剪面积，A_vf2为螺帽下方翼缘受剪面积。

3.腹板受拉组件：

腹板受拉最大承载力为：

 ；                                                    （15）

f_y.w为T型件腹板钢材的屈服强度，A_w为T型件腹板的受拉截面积。

腹板的受拉刚度为：

 ；                                                     （16）

h_w为T型件受拉腹板的高度。

由于翼缘板板端在节点受拉初期螺栓变形较小时有压应力出现，如图4（a）所示，因此计算时可视翼缘板为杠杆，螺栓受力为板端压力与拉力之和。

T型件的组件式模型：

根据各组分所在的位置以及相互的联系可构造出由弹簧和杆件组成的T型件简化模型，如图4（b）所示。

T型件的整体抗拉初始刚度计算公式如下：

     ；                                 （17）

    其中l_BC、l_AC分别为图2（a）中B、C和A、C之间距离。

类似地还可以对T型件的受压性状进行分析并建立其组件式模型，但等效T型件受压主要是T型件的腹板受压，也即柱腹板受压，故其初始抗压刚度即为腹板材料抗压刚度。

步骤4：把T型件用具有相同刚度的弹簧模拟；

经过步骤3后获得了T型件的初始刚度值，然后用具有相同初始刚度的弹簧来代替经计算后的T型件。

步骤5：把整体节点模拟为一系列弹簧与杆件组成的组件式模型；

在每个T型件所处的位置上用一根弹簧替代一个T型件，如此便可获得整体节点组件式模型，该模型是由一系列弹簧按照一定的空间位置关系与相互联系所组成的。

步骤6：计算获得节点组件式模型的初始转动刚度；

节点组件式模型的初始转动刚度，在小变形情况下可由下式计算获得：

 ；                                              （18）

式中：K_cwc为柱腹板受压刚度，K_cwv为柱腹板受剪刚度，K_t为受拉组件的整体刚度，h₀为节点组件式模型的净高，即最上与最下的弹簧间垂直距离。

步骤7：用三折线准则，预测并获取节点的塑性阶段与强化阶段刚度。

本发明中采用的三折线准则为：当弯矩到达 2/3 的塑性弯矩值时，斜率取1/7的初始刚度值；当弯矩达到塑性弯矩值后，斜率取1/40的初始刚度值。

实施例

以某试验结果与本方法结果的对比为例说明具体试试方式与结果的精确性。该轻钢框架梁、柱均采用Q235-B热轧H型钢（GB/T11263-1998），梁采用HN300×150×6×9，柱采用HW200×200×8×12，梁实测抗拉屈服强度平均值为280N/mm²，柱实测抗拉屈服强度平均值为275N/mm²，采用 10.9级M20摩擦型高强螺栓连接。试验节点的详细几何参数如图5、6、7、8。其中顶底角钢、腹板双角钢连接试件TC-1的角钢型号为L90×10，TA-1的T型连接件钢板厚度为12mm，T型钢型号为175×150×12×12，柱腹板均加有加劲肋以防柱构件首先失稳屈曲。

根据本方法，可得到用弹簧、杆件组成的组件式模型，如图9、10、11所示，其中每个弹簧均代表对应的等效T型件。

在图9中，K_cwv为柱腹板受剪刚度；K_tt1为顶部角钢或端板等效T型件的抗拉刚度；K_tc1为底部角钢或端板等效T型件的受压刚度；分别为腹板角钢或端板的等效T型件受拉、受压刚度；K_tt为顶部T型连接键受拉刚度；K_tc为底部T型件受压刚度；为梁上下翼缘中心线间的距离。半刚性节点的组件式模型中，等效T型件受压主要是T型件的腹板受压，则有K_tc=K_cwc半刚性节点的受拉组件主要是节点抗弯中性轴以上受拉等效T型件，故K_tt=K_t。则带入式（18）得组件式模型的初始转动刚度计算公式：

  ；                             （19）

对于试件TC-1，上式还应有所变化K_tc=（a+b）K_tc2 +K_tc1；K_tt=（a+b）K_tt2+K_tt1。式中a、b为比例系数且均≤1，可由各等效弹簧到抗弯中性轴的距离计算得到。经计算，得到半刚性节点初始刚度的计算结果见表1。

表1：节点初始刚度的试验值与计算值比较（）

由计算结果可见，初始刚度最大的是试件TB-2，其次是外伸端板连接试件TB-1与TA-1，刚度最小的是顶底角钢、腹板双角钢连接试件TC-1。其中，TB-2的初始刚度大于TB-1的原因是前者连接端板厚度大于后者；TA-1试件计算初始刚度大于TC-1试件的原因在于TA-1的受力构件（螺栓、连接构件等）更集中于梁的顶部和底部，更有利于加强节点的抗弯性能。表1给出了节点初始刚度的试验值的计算结果以及本文方法的计算结果，对比表明本文计算的节点初始刚度与试验值很接近。

采用的三折线模型描述节点的弯矩-转角性能，具体为：当弯矩到达2/3的塑性弯矩值时，斜率取1/7的初始刚度值；当弯矩达到塑性弯矩值后，斜率取1/40的初始刚度值。计算得到节点的弯矩-转角关系曲线与试验结果也吻合很好，详见图12、13、14、15。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

采用本发明方法，可以方便的获得钢结构半刚性节点初始刚度，并以该初始刚度作为基本指标，按照三折线准则预测获得塑性刚度与强化刚度。初始刚度值在反映了弹性阶段节点的弯矩与转角的关系，而三折线准则能够对塑性阶段与强化阶段曲线进行预测并具有足够的精确性。本发明具有明确的计算公式以及规范化的实施步骤，所获得的结构半刚性节点初始刚度更加准确，能够避免遗漏个别被激活的组件及组件之间的联系，具有显著的特色和优势。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。