一种半刚性连接弯矩－转角特性的探讨与改进.doc

PAGE 9 PAGE 8 一种半刚性连接弯矩－转角特性的探讨与改进 [摘 要] 对钢框架梁柱典型的半刚性连接－外伸端板高强螺栓节点连接的弯矩－转角模型（四参数指数函数模型）进行了介绍和分析，通过与试验结果对比，认为该模型算得的应变强化刚度比实际值大，在试验研究的基础上对该模型进行了改进，并用有限元分析了影响连接刚度的因素。 [关键词] 半刚性；外伸端板；初始刚度；弯矩－转角关系；应变强化刚度 工程实际中所有钢框架梁柱之间的连接，均处在理想刚接和理想铰接两种极端情况之间。在设计中当连接刚度大到一定程度时认为是刚性连接，而小到一定程度时认为是铰接，其余的都称为半刚性连接。梁柱连接节点采用刚性连接时，连接刚度大，受力性能好，但节点施工构造较为复杂；采用铰接时，连接构造简单，但刚度和耗能性能差，对结构抗震不利；而采用半刚性则兼有刚性连接和铰连接的优点。外伸端板螺栓连接是一种典型的半刚性连接，由于外伸端板螺栓连接具有焊缝质量容易保证、抗震性能好、安装简易、连接耗材少、不产生柱翼缘板层间撕裂等优点故在工程实际中得到广泛应用。图1为外伸端板高强螺栓半刚性连接形式及关系。半刚性连接的弯矩和连接变形（梁柱相对转角）之间的关系对结构的变形和承载力均有较大的影响。对半刚性连接的研究国内外目前的文献主要集中在两个方面：一是半刚性连接计算方法的讨论，即探讨一种既简单又准确的表达形式来反映这种连接节点的弯矩和相对转角之间的关系[1][2]；二是以大量的试验为依据通过对试验数据的整理分析、验证半刚性连接钢框架的静力和动力性能。本文主要是伸端板高强螺栓连接节点的连接性能，并对表达关系的一种模型——四参数指数模型做出改进。 （a）外伸端板高强螺栓半刚性连接 (b)关系曲线 图1 外伸端板螺栓连接示意图和关系曲线 1 四参数指数模型曲线及其优缺点 对于外伸端板高强螺栓连接的约束关系(关系)，参考文献[3]采用四参数指数模型来表达螺栓连接的非线性特性： (1) *国家自然科学基金自助项目 式中为连接塑性弯矩承载力、为连接初始刚度、为连接硬化刚度、C为控制曲线斜率的退化率的参数，通过试验确定。 1.1 各个参数的计算 1.1.1 节点的塑性极限弯矩的计算 通常梁柱节点都设有柱加劲肋，加劲肋的作用使得节点的承载力大于节点邻近薄弱构件的承载力，故就是相邻较弱的构件（梁或柱）的塑性弯矩： (2) 式中是塑性截面的惯性矩。 1.1.2 节点的初始刚度的计算 节点的转动刚度与组成节点的各个组件的变形直接相关。节点中各组件变形与节点转角关系可以用图2表示。 图2 计算初始刚度时节点变形示意图 弹性受力时转角变形与弯矩之间成正比，由此得出初始刚度与构件各个初始变形的关系如下： （3） 式中：； 、分别为梁受拉、受压翼缘的轴向变形； 、分别为端板、柱翼缘的变形；为螺栓变形；、为柱腹板剪切变形（包括加劲肋）、受压变形。各种变形计算如下： ⑴梁端板和柱翼缘的变形 按照T形件模型用简单的弹性梁弯曲理论可以算出梁端板和柱翼缘的变形： 端板变形： （4） 柱翼缘变形： （5） 式中： （6） ；；； ；；； 其中： 为T 型件翼缘的有效长度，a 、b、尺寸见图3、图4； 、(有柱加劲肋时）、（无柱加劲肋时）；、分别为端板的宽度与厚度；、分别为柱翼缘板的宽度与厚度；、、、为与螺栓有关的几何量；为螺栓杆的面积。上面计算、时已经考虑了螺栓的伸长。 图3 端板简化为T形件模型 图4 端板挠曲的简支梁模型 通常式（6）的分母中项远大于项，故在实际应用中可以忽略后面这一项。 ⑵柱腹板域的剪切变形 当柱腹板域没设斜向加劲肋时： (7) 当柱腹板域设有斜向加劲肋时： (8) 式中： ，、、、、分别为柱高、柱翼缘板厚度、柱腹板厚度、梁高、梁翼缘板厚度；为两块斜向加劲肋板的截面面积之和。 ⑶柱腹板受压区变形 柱腹板受压变形很小，其对连接的整体变形的贡献可以忽略不计。 1.1.3 节点的应变强化刚度的计算 类似于式（3），可用下式表示： (9) 式中表示节点屈服后在梁翼缘处的轴向变形的增量。关于，文献[3]认为有下两种情况： 柱腹板受剪屈服破坏时： (10) 式中： 柱腹板受压区屈曲破坏时： (11) 式中： 式(11)、式(10)中的可以用(4)、(5)来表示，为弹性阶段时柱腹板受压区变形通常很小忽略不计，为柱的截面惯性矩。 1.1.4 控制曲线斜率的退化率的参数C 该参数通常是用试验来来确定的经验常数，文献