（固体力学专业论文）钢结构梁柱节点连接的优化设计.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 由于具有独特性能，随着经济的稳步发展，钢结构得以广泛的应用。但同时钢结构 ：地震中的破坏以及钢结构在施工过程中出现的事故，使人们认识到钢结构梁柱节点连 接的安全f 生和可靠性对钢结构整体性能以及钢结构工程的安全性有着非常重要的影响。 钢结构梁柱节点的连接按其受力性能可以分为：刚性连接、铰支连接和介于两者之间的 半刚陛连接。钢框架结构的梁柱连接多按刚性连接设计，主粱与柱的连接具有足够刚 发。铡结构粱柱节点按照连接方法可以分为：焊接节点、螺栓连接节点和栓焊混合连接 t 酋电。， 本文首先通过对比，针对三种主要的梁柱节点连接形式，即焊接连接、螺栓连接和 栓焊混合连接，作了系统的分析、研究，总结各种连接形式的节点性能对钢框架结构的 影响。 其次，在现有研究结果的基础上，借鉴其他学者的研究方法，总结出典型的连接形 式的刚度参数值，采用该刚度参数值分析了对钢框架结构性能的影响。 再次，详细阐述了通过利用狗骨式粱柱节点形式来优化设计钢框架粱柱节点。运用 有限元a n s y s 程序进行大量的运算，对普通式梁柱节点和狗骨式粱柱节点进行各种荷载 作刖r 受力性能的对比分析，总结出采用狗骨式节点设计，当对梁翼缘进行削弱，且如 果削弱位置和尺寸设计合理时，节点在荷载作用下应力最大值将出现在具有很大塑性变 形能力的梁翼缘削弱部位，偏离了在很多实际工程中最容易发生脆性破坏的梁柱节点连 接处，达到设计增加的结构的延性的目的。并讨论了狗骨式节点削弱的合理位置和尺 寸。 最后，根据以上研究分析结果，提出经济、合理、实用的狗骨式节点形式以及施工 伸i 女。 关键词：锏结构，节点连接，有限元a n s y s ，狗骨式节点 沈阳工业大学硕士学位论文 t h eo p t i m u md e s i g no f b e a m - p i l l a r - j o i nc o n n e c t i o no f t h es t e e l s t r u c t u r e a b s t r a c t a l o n gw i t h t h es t e a d yd e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m y ，t h es t e e ls t r u c t u r e sa r eb e i n g a p p l i c a t i o ne x t e n s i v e l yb e c a u s eo ft h es p e c i a lf u n c t i o n b u ta tt h e s i l l - f i et i m e ，t h et r o u b l e so ft h e s t e e ls t r u c t u r e st h a ta p p e a ri nt h e p r o c e s so f c o n s l r u c t i o na n dt h eb r e a k a g ei nt h ee a r t h q u a k e ， t h ep e o p l ek n o wt h a tt h es a f e t ya n dc r e d i b i l i t yo f t h es t e e ls t r u c t u r eb e a m p i l l a rc o n n e c t i o nh a v e a f f e c ts a f e t yo ft h ew h o l ef u n c t i o no ft h es t e e ls t r u c t u r ea n dt h es t e e ls t r u c t u r ee n g i n e e r i n g d e e p l y b yt h ef u n c t i o no fu n d e r t a k i n gp o w e r t h ec o n j u n c t i o no f t h es t e e ls t r u c t u r eb e a m p i l l a r c o n n e c t i o nc a ni sd i v i d e di n t o ：t h er i g i dc o n n e c t i o n ，t h eh i n g ec o n n e c t i o na n ds e m i r i g i d c o n n e c t i o nb e t w e e nt h eb o t ha b o v e t h eb e a m p i l l a rc o n n e c t i o no ft h es t e e lf r a m es t r u c t u r e u s u a l l yb e i n ga c c o r d i n gt ot h er i g i dc o n n e c t i o nd e s i g ni nw h i c ht h e r ei se n o u g hr i g i di nt h e c o n n e c t i o no f m a i nb e a m p i l l a r a c c o r d i n gt ot h ec o n j u n c t i o nm e t h o d ，t h es t e e ls t r u c t u r eb e a m p i l l a rc o n j u n c t i o nc a ni sd i v i d e di n t o ：w e l dc o n j n n c t i o n ，t h eb o l tc o n n e c t i o nn o d em a db o l t - w e l d c m m e c t i o n f i r s t l y ，i nt h i st h e s i s ，b yc o n t r a s t ，t h ec o m p l e t ea n a l y s i sa n ds t u d yh a db e e n d o n ea b o u tt h e t h r e ek i n d so fm a i nc o n n e c t i o nf o r m ：w e l dc o n n e c t i o n ，t h eb o l tc o n n e c t i o nj o i n ta n db o l t w e l d c o n n e c t i o n a tt h es a m et i m e ，t h ei n f l u e n c eo fv a n o u sj o i n t sf u n c t i o no fc o n n e c t i o nf o r mt ot h e s t e e 【f r a m es t r u c t u r e ， s e c o n d l y ，o nt h ef o u n d a t i o no fe x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t ，c o n s u l t i n gt h er e s e a r c hm e t h o do f o t h e rs c h o l a r s ，s o l n ew p i c a lr i g i dd e g r e ep a r a m e t e lh a db e e nc o m p u t e dt h ei n f l u e n c eo f v a r i o u sj o i n t sf u n c t i o no fc o n j u n c t i o nf o r mt ot h es t e e lf r a m es t r u c t u r a lh a db e e na n a l y z e db y r i g i dd e g r e ep a r a m e t e r t h i r d l y ，i th a db e e ne l a b o r a t e di nd e t a i lt h ed e s i g nt h o u g h to fi m p r o v i n gs t e e lf r a m eb e a m p i l l m - j o i n t sb ym a k i n g u s eo ft h ed o g b o n ec o n n e c t i o na g r e a td e a to fo p e r a t i o nh a db e e n c a r r i e do nb ya n s y sp r o c e d u r ei no r d e rt oc o n t r a s ta n da n a l y z et h ef u n c t i o no fu n d e r t a k i n g v a r i o u sp o w e ro ft h et w of o r m ：d o g b o n ec o n n e c t i o na n dc o n l r n o nc o n n e c t i o n ac o n c l u s i o n 2 一 沈刚t 业大学硕士学位论文 h a db e e nd r a wo u t ：w h e nd o g b o n ec o n n e c t i o nh a db e e na d o p t e d ，i f t h es i z e & b e a me d g eb e i n g v , e a k e na d e q u a t e l y ，t h es t r e s sb i g g e s tv a l u eo fb e a m p i l l a rc o n n e c t i o nu n d e rp o w e rw i l la p p e a r a tt h ep a r tw h i c hh a db e e nw e a k e no nb e a me d g ew h e r et h e r ei sag r e a td e a lo f t r a n s f o r ma b i l i t y d e v i a t i n gb e a m p i l l a rj o i n t sw h e r et h eb r i t t l e n e s sb r e a k a g eh a dt a k e np l a c em o s te a s i l yi nl o to f a c t u a le n g i n e e r i n g 1 1 1 ep u r p o s eo fi n c r e a s i n gs n u c t u r ed u c t i l i t yh a db e e na u m n e da tt h es a m e t i m et h er e a s o n a b l ep o s i t i o na n ds i z e so f d o g - b o n ec o n j u n c t i o nh a db e e nd i s c u s s e d f i n a l l ya c c o r d i n gt ot h ec o n c l u s i o nd r a w na b o v e ，d o g b o n ec o n n e c t i o nf o r mw h i c ha r e e c o n o m ya n dr e a s o n a b l ea n df i t t i n ga n ds o m es u g g e s t sa b o u tc o n s t r u c t i o nh a db e e np u tf o r w a r d i nt h j st h e s j s k e yw o r d s ：s t e e ls t r u c t u r e ，j o i n t sc o n n e c t i o n ，f i n i t ee l e m e n t ，a n s y s ，d o g b o n ej o i n t 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 j 二作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：勉日期：2 堑主廖 关于论文使用授权的说明 本人完令了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 虢盈嵫导师签名：陋嘲堑，n 。 沈阳工业大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 钢结构的特点、现状和发展趋势 钢结构与其他材料相比，具有强度高、自重轻、塑性和韧性好、装配化程度高、施 工方便、周期短、施工不受季节限制、承受动荷载的性能较好、移动灵活、密闭性好、 建筑垃圾少、环境污染小、气候干燥时钢结构养护工作量少等优点【l j 。这些优点使纲结 构不仅适用于大城市常见的生产用厂房、仓库及辅助设施等工业建筑，商场、旅馆、 展览馆、医院、办公大楼等商业建筑，私有及公有社区活动中心及建筑如学校、体育 馆、图书馆、教堂等社区建筑以及综合建筑等方面。也可适用于中小城市的厂房、中 小刑的体育建筑、通信建筑、管道建筑，因而应用前景很好 2 1 。j 下是因为如此，在经济 发达国家的应用比较普遍，不仅大跨度桥梁和建筑、高层建筑等基本上都采用钢结构或 钢一混组合结构，中小跨度桥梁和普通建筑也有许多采用钢结构，甚至民用住宅也采用 装配式的钢结构。1 9 9 6 年，我国钢产量突破亿吨大关，一跃成为世界第一位。1 9 9 8 年我 国钢产量已达l1 4 3 4 万吨，而且每年增产3 0 0 万吨。2 0 0 3 年，我国钢铁产量首次超过2 亿吨，生产成品钢材2 4 11 9 万吨，成为世界头号产钢大国。但建筑用钢量的比例还比较 低，这与我国建筑业将成为支柱产业的目标是不相适应的。一般发达国家采用钢结构的 比较多，基本建设用钢量占国家钢产量3 0 以上日本，土木建筑用钢量占国家钢产 量的一半以土。而我国据统计，包括了建筑机械用钢量的基本建设用钢量才占钢产量的 2 0 二i 右，铜结构用钢量则更低。我国基本建设用钢量低，是因为7 0 年代以前，钢产 量比较低，长期实行了限制使用钢结构大力发展钢筋混凝土结构的政策。近几年，随着 我国钢产量的迅速提高，我国又及时的调整了政策，在1 9 9 7 年4 月和2 0 0 1 年五月两次 张丌的中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会年会上，提出了“积极、合理、较快的 发展建筑钢结构”。建设部更明确地下文鼓励采用钢结构。这对充分发挥钢结构的优越 性干u 综合经济效益，促进我国经济发展具有重要的意义。但是“9 1 1 事件发生以后，各 国政府和建筑师们对钢结构曾一度产生怀疑。 钢产量的稳步增长，为发展我国建筑钢结构建设事业创造了极好的时机。近些年 水，钢结构数量大幅度增加，国内结构工程师通过和国外设计、施工单位合作引进、吸 收、消化固外技术，并根据我国国情进行了一系列重大科研项目的研究，应用技术迅速 沈阳t 业大学顶十学位论文 发展，设计、制造和安装水平有了很大的提高，国内钢结构技术已达到了个较高的水 平，同时也引进了一些专用结构设计软件，对钢结构中的许多课题进行深入的研究f 4 。 如高强螺枪连接、梁柱节点的工作特性、组合楼盖的工作性能、耐火材料与防火技术、 结构体系的选用、可靠度的设计准则、弹塑性分析、支撑体系等。1 9 9 6 年深圳地王大 厦建成，该楼是我国第一幢高度超过3 0 0m 的高层钢结构建筑。1 9 9 8 年建成的上海金 茂大厦地下3 层，地上8 8 层，高4 2 0 ，51 i 1 ，属钢框架一混凝土核一0 筒混合结构体系，是 目前国内建成的最高建筑。还有上海待建的环球金融大厦，为9 5 层，高4 6 0 米，北京 待建烈塔大厦高4 5 0 米为我国高层结构的代表。在国内钢结构不仅应用于商业和公共建 筑，同样已开始应用于住宅，首座钢结构高层住宅为1 8 层，总建筑面积达9 8 0 0 平方 米，在3 个月内封顶，八个月内交付使用，建造速度之快混凝土结构无法与之相比。 该楼将成为我国住宅产业从钢筋混凝土结构跨进钢结构模式的重要标志口j 。此后，全国 陆续出现了一批铜结构住宅试点项月，如山东的樱花园住宅小区、天津的钢框架一剪力 墙商层住宅、北京赛博思金属结构有限公司的钢框架核心筒多层住宅、上海冶金设计院 设计的陆海城和中福城项目、马鞍山钢铁股份有限公司设计的1 8 层示范实验住宅楼 等。钢结构住宅代表了未来住宅的发展新模式。同时，历届奥运会的场馆也多采用钢结 构。2 0 0 3 年底，奥运会主场的国家体育场“鸟巢”和国家游泳中心“水立方”均已丌 上建发，今年卜半年钢结构用钢材就要招标和供货，时间十分紧迫；其它如国家体育 馆、奥运村、五棵松文化体育中心、天津体育馆等工程的筹建工作也在紧锣密鼓地进 行。奥运工程建设，给钢结构带来很大机遇【6 j 。由于人类文化生活不断提高，对高层、 大跨度建筑的要求也就越来越高。而钢结构本身具备自重轻，强度高，施工快等独特优 点，对高层、大跨度，尤其是超高层、超大跨度，采用钢结构更是非常理想。目前世界 上最高，最大的结构采用的都是钢结构。随着我国加入w t o 及信息时代的到来，提高 产业化的技术水平、生产效益和工业化程度迫在眉捷，可以预见，在以后的几十年之 间，我国钢结构建筑的数量将大幅度增加f 4 ”。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 2 梁柱节点连接研究的工程意义 在钢结构快速发展的同时，必须看到，无论是国外还是国内，都有曾发生过许多不 同类型、原因、程度的事故，特别是一些重要钢结构工程倒塌事故，造成了重大人员伤 亡和经济财产的损失。这些惨痛的教i j i i ，已引起了世人的广泛的关注1 8 f 。在这种形势 下，认真分析国内外钢结构重大工程事故，总结经验教训，以促进我国建筑钢结构的健 康发展，是十分必要的咿j 。 有人对前苏联2 2 3 个工程中发生的3 5 0 个钢结构破坏实例进行了统计分析结果表 明：钢结构的破坏不是由单一因素引起的，而是多个因素综合作用的结果，同时表明构 件问连接处是最薄弱的地方，无论采用哪种连接方式，焊接、螺栓连接还是铆接，破 埘：、断裂多数都是发生在构件问连接的地方，其中梁柱连接点的破坏引起整个结构破坏 的例子占破坏实例的4 0 左右，因而研究粱柱节点的破坏情况，优化梁柱节点的连接有 着十分重要的现实意义f i 。 1 2 1 洛杉矶大地震对建筑破坏 1 9 9 4 年1 月1 7 只，太平洋标准时间凌晨4 ：3 1 ，一场动量震级为6 7 级的地震席 卷了美国加州南部的圣费尔南多峡谷。其震中位于峡谷北脊( n o r t h t i a g e ) 区西南约1 罩、深1 4 0 0 米的地震断层上该断层以上的地壳部分向北发生了相对位移。持续约2 0 秒钟的强烈震动引起的地面运动是异常剧烈的。圣费尔南多峡谷位于洛杉矶市区西北 2 0 里左右，居住人口为1 0 0 多万。建筑多为单户住宅，低层公寓楼，商业的和轻工业 的和最高不过2 0 层的中型建筑。这场地震对峡谷大部分地区的建筑物和底层结构都造 成了不同程度的破坏，尤其是圣莫尼卡地区，破坏更为严重。一些现代建筑倒塌了，几 千幢建筑物遭到了严重的破坏。至少有5 7 人死亡，9 1 5 8 人严重受伤。直接经济损失约 为1 5 0 亿美元。落杉矶大地震之前，广泛使用的焊接梁柱节点是按美国统一的建筑标准 ( u b c ) 设计制造的。地震最初，钢结构未见有关损害的报道，实际上节点的破坏为建 筑外包物所掩盖。后来对1 0 0 多座钢框架建筑的仔细观察发现粱柱节点存在破坏现象， 这才引起工程界的广泛注意1 9 “ 。 钢框架建筑一般可分为抗弯矩框架和斜撑框架。在斜撑框架中，是通过支撑物的抗 拉和抗压强度来对抗侧力或横向荷载的。而在抗弯矩框架中，则是通过梁和柱( 即没有 沈阳工业大学硕上学位论文 斜支撑) 的弯曲强度来对抗横向荷载和形变的。钢结构建筑由于在强度、柔韧性和轻质 等方面占有一定的优势，所以比其它结构的建筑抗震效果好。但是，尽管钢结构建筑在 地震中很少发生垮塌，但经过异常剧烈的地面震动中有相当数量的建于八十年代的抗弯 矩钢框架建筑遭到了破坏，这种情况在以前是没有的。原因是在梁柱弯矩接头处受到了 剪切力作用，尤其是在那种接头处，即弯矩( 弯曲) 通过粱翼的上部和下部结合处传递 给立柱，同时重力或垂直荷载通过节点联接处传递，在震区内5 0 多幢这种建筑物出现 了这类破坏。在对楼板框架的检验中，发现大部分破坏发生在节点梁翼缘与柱翼缘的连 接处，其中又以底粱翼缘明显多于顶梁翼缘。底梁翼缘的断裂特征随结构、起裂位置、 扩展路径以及扩展深度的不同而不同l i “。 经分析，焊接钢结构粱柱节点的破坏属于脆性破坏，是由地震荷载、焊接缺陷和应 力集中等因素共同作用的结果。地震是无法准确预测，也难以避免的，只有设计时优化 这些结构，消除焊接缺陷，降低重要部位应力集中，来提高整个结构的抗击破坏的能 力。尽量，从设计、选材、施工和检验等多方面着手，来预防脆断的发生，保证结构的 安全【”。 1 2 2 日本版神大地震给人们的警示 1 9 9 5 年1 月1 7 日凌晨5 点4 5 分发生在日本神户市的阪神大地震，震级为7 2 ，是日本 自1 9 2 3 年关东地震以来伤亡最重、经济损失最大的一次破坏性地震。震中在兵库县南部 淡路岛北端海中，距神户市较近。震中烈度相当我国烈度1 1 一1 2 度，地震造成了约5 5 0 0 人死亡，2 6 6 1 8 人受伤，6 0 人失踪，毁坏住宅约7 4 4 2 栋，3 0 多万人无家可归。大地震引 起火灾、停电、停煤气，切断了高速公路、电气火车、地下电车以及新干线；使码头破 坏停运，港口瘫痪。地震造成的经济损失估计在1 0 0 0 亿美元以上【1 3 1 。阪神地震带来的 破坏是多方面的，从地基基础、地下结构、地下设各、房屋建筑、道路桥梁，到港口码 头等等。值得我们吸取的经验教训，主要是中高层以上的钢和钢筋混凝土结构，以及钢 骨钢筋混凝土结构l l 。 在此次地震中，钢结构建筑的建筑年代、数量、破坏程度情况如表1 1 所示【l 。 沈阳工业大学硕士学位论文 表1 1 钢结构建筑破坏率( ) 对钢结构的震害应该引起人们的足够认识，该次地震仅在芦屋滨海滨城的高层钢结 构住宅就造成严重损失。这些高层钢结构住宅建造于1 9 7 5 年1 9 7 9 年间，分为1 4 层、1 9 层、2 4 层和2 9 层类4 种。它是以钢柱( 竖杆) 、钢梁( 水平杆) 和钢斜撑组成 的钢骨架巨型结构。设计是按照19 7 1 年后修改的抗震设计规范进行的，是精心设计和 精心施工的。但是出乎意料的是在整个小区中，竟有5 3 处钢柱和钢梁被地震破坏。而 钢柱的断面为5 0x5 0 c m ，钢柱板厚皮为5 0 m m ，地震中居然被水平剪切断裂，缝宽达 到l o m m 左右。从其中的一幢钢结构破坏中可以看出，该幢为1 4 层巨型钢框架结构， 存7 屡和1 4 层为巨型结构的梁构造。因此，6 层和l l 层相当于柱的顶端，1 层和8 层 相当于柱脚，破坏发生在这些部位。此次钢结构的破坏主要发生的部位在： ( 1 ) 从部位上看，主要发生在柱节点上。如在钢梁与钢柱的连接部位，由于受到 强大的地震作用的冲击，居然将焊缝彻底震裂，完全断开。 ( 2 ) 同时破坏还发生的焊接部位。在焊接的热应力范围区内破坏。焊接热应力可 能导致钢结构残余应力的存在，地震时加剧了焊接热应力从而造成断裂破坏。从受损坏 的构件上看，柱损坏最多，其次是梁，共有1 6 处。芦屋滨中高层钢结构的部分破杯， 从此次地震中总的钢结构的破坏所占比例，根据日本建筑学会调查的1 3 0 5 幢钢结构房 屋的统计如下：倒塌或破坏2 8 6 幢占2 1 9 ，中等破坏2 6 2 幢，占2 0 1 ，完好、轻微 7 5 7 幢，占5 8 ”j 。 沈阳工业大学硕士学位论文 以j ：说明，钢结构的抗震性能虽然一般认为较好，但如果结构布置或构造上存在缺 陷，尤其是连接的不合理亦会造成震害，带来巨大的经济损失，甚至危及到生命。大部 分钢结构框架的破坏发生在梁、柱节点处，基本上是由于焊接破坏造成的，采用螺栓连 接的破坏程度相对较轻，即使破坏，也很少倒塌1 2 j 。分析原因，得出的结论是梁与柱连 接处，出于在刚结框架中梁、柱连接处承受很大的弯矩，当强度不足时会在此处就会发 生破坏。由于钢材具有良好的韧性，破坏时能吸收大量的机械能，因而大大增强结构的 强度，有效地降低了破坏程度，延长了破坏时间，潜在的增加了安全性。但是，焊接产 生热影响区，使材料的脆性增强的同时使结构的抗疲劳破坏能力大大降低。螺栓连接虽 然使结构的强度有所降低，但材料的性能并没有太大的改变，所以破坏程度要轻得多。 同时，柱与基础连接处的刚度和强度，对比梁柱自身的刚度和强度也要弱，所以当建筑 物遭受地震柱基要承担很大的剪力和弯矩时，就可能引起严重损坏。 r 本阪神地震的经验教训i 是很多的，从目前搜集到的资料分析，以下三点值得指 出： ( 1 ) 大部分倒塌和严重破坏的建筑物中钢结构很少，而且破坏程度也是最轻的。 在1 9 8 1 年日本建筑新规范实施后建造的钢结构基没有彻底倒塌的基本上达到了大震不 倒，中震可修，小震不坏的标准，也说明作为抗震设计应当说是成功的。同时说明地震 是可以抗御的，至少可咀把损失减少到最小程度。 ( 2 ) 底层设车库或商场的建筑物，容易在底层形成薄弱层，这种情况下，梁柱节点 在地震时更容易产生严重破坏；大底盘的建筑，由于下部刚度和强度较大，容易在立面 变化粱柱节点处产生破坏；一栋建筑中上下采用不同的结构形式，如果转换层处理的不 当，存此处可能产生破坏。 ( 3 ) 螺栓连接的节点处基本没有发生脆性破坏，脆性破坏基本都发生在焊接结构 上。 l2 3 国内几起大型钢结构建筑事故的探讨 1 9 8 8 年2 月1 7 同夜4 时左右，豫南某厂所在地当时气温零下1 0 左右，风力 3 - 4 级，最大降雪量3 2 0 m m 。该市当天连续发生四起工程倒塌事故，其中损失最大的是 该厂三跨钢屋架结构倒塌。这起事故虽无人身伤亡，但该厂被迫停产2 个月，直接经济 沈阳丁业人学领j j 学位论立 损失以当时预算计达4 8 万无。按事故严重程度来看己属于三级重大事故。经过对倒塌 现场进行实测，发现该工程有两榀屋架失稳倒塌，同时相邻两跨的排架柱受拉倾斜，屋 架与柱的连接处发生变形甚至被拉裂开来，其它构件连接也发生松动现象。排架系统大 部分发生扭曲变形。分析发现，钢结构的破坏是稳定性、刚度、强度、节点连接多个因 素综合决定结果的结果，不是由单一因素引起的。同时表明构件间连接处是最薄弱的地 方，无沦采用哪种连接方式：焊接、螺栓连接还是铆接，破坏、断裂多数都是发生在构 件问连接的地方。其中梁柱连接点的破坏引起整个结构不容忽视【6 巧】。 1 9 9 0 年2 月1 6 日，我国大连重型机器厂计量楼用轻型钢加层的屋架( 1 9 8 7 年5 月2f 1 改造竣工) 突然倒塌，当时正值数百人在会议室中开会，砸死4 2 人，伤1 7 9 ， 这一恶性事故震惊中外。经过对倒塌现场进行测试分析，得到的结论是屋架丧失整体稳 定性，屋架与柱连接节点在外荷载的作用下发生破坏造成的。这起严重事故也表明构件 间连接处是最薄弱的地方，它的破坏可能引起整个结构破坏 i “。 九十年代初，湛江耐火材料公司从美国引进厂房近4 0 0 0 平米，跨度有1 8m 、3 3 m 、3 0m 三种，在湛江市台风中，2 2 0 0 平米的3 0m 跨厂房全部倒塌、该厂房柱距1 2 m ，长7 2r l q ，檐1 2 1 高8 5 m ，屋面坡度l 3 ，纵向两侧均为全开敞式。门形刚架梁柱为 变截面焊接h 型钢，翼缘腹板连接处均为单面焊缝，檩条间距1 5 m ，在内侧柱列设两 道抗风樵架，外侧柱未设柱问支撑，屋面有两道圆钢支撑，这次台肛l 从外侧柱角上刮 起，由于外侧柱、山墙柱均没有柱问支撑，屋面坡度义太陡，檩条太密，头重脚轻对抗 风很不利，所以虽然是全开敞的，结果# i - n 柱节点发生破坏，整个被拔起，地脚螺栓被 拉断的灾难【1 7 】。 1 2 4 从大型钢结构建筑事故分析得到结论 但在1 9 9 4 年美国北岭地震和1 9 9 5 年同本贩神地震中，数百幢多高层钢结构房屋的 粱柱刚性连接节点出现大量的脆性断裂。根据震后对钢结构破坏的观察和检测，钢框架 梁柱刚性节点的破坏形式可归纳为梁柱刚性节点在地震中的破坏集中在节点下翼缘焊缝 处，连接的脆性断裂通常由此形成p1 6 1 。其可能存在的原因可以从以下几方面来解释。 从梁的们度束石，酋先位丁梁上翼缘的刚性楼板与梁组成了组合截面，使得梁截面的中 和轴上移，这就导致梁的下翼缘在荷载作用下会有较大的受拉变形，同时楼面板与梁的 沈阳工业大学硕士学位论文 a ：t l i l 作用也降低了上翼缘屈曲的可能性。其次，梁与楼板的共同变形导致下翼缘应力的 增大：从焊接的角度看，首先由于焊接工艺的要求要设置焊接垫板，下翼缘的帮板位于 梁截面最大受拉纤维处，相对来说上翼缘焊缝处的焊接垫板所处的截面位置具有较小的 应力和应变。第二，在上翼缘处施焊的困难比下翼缘处小一些，技术人员则可以更好的 控制上翼缘焊接的质量：第三，焊接质量达不到预期目的，离散性较大。第四，大量焊 缝集中于小范围，产生了相当高的约束力。第五，梁下翼缘的焊接施工在腹板所留焊接 孔内进行，无法一次连续完成，在翼缘中线留下焊接缺陷。 此外，这种脆性断裂与连接处的翼缘应变发展的状况也有关，进而与截面尺寸、钢 材型号、焊接工艺、连接构造细节和外力相关，在众多复杂的因素作用下形成了梁柱连 接处的脆性断裂，从而导致节点的破坏。 上面所述的原因主要是从本身构造和施工方面来考虑的。另外，造成破坏的一个致 命原因是设计中，在没有任何加强连接构造措旋的情况下，不恰当地采用了所谓“常用 设计法”，即翼缘连接承受全部作用弯矩、梁腹板只承受全部作用剪力的假定，按梁段 出现塑铰时的弯矩和剪力设计。这种方法隐藏的问题，一是不作连接弹性设计会引起弹 性阶段连接承载力不足，不符合弹性阶段的设计要求，出现螺栓连接滑移等问题 1 8 】。另 一是腹板连接仅承受剪力不承受弯矩，与实际情况不符，使腹板连接太弱，连接螺栓太 少，将导致严重不安全。曾经有人提出这个力学模型不够合理，凭什么说剪力由腹板承 担，弯矩由梁上下翼板焊接承担，而实际工作中是共同承担的，即使按照该截面能承担 晌最大的剪力和弯矩，也不符合强节点假定。实际上翼缘扳除了承担相应的弯矩，它也 有剪力，实际是双向受力，但是翼缘承受弯矩、腹板承担剪力的近似算法是抗震规范的 要求。翼缘板承受剪力方向的刚度很小，与腹板有量级上的差异，因此分担剪力过程 中，剪力的绝大部分被腹板承担了，这是试验结果和理论分析已经得到证实，地震过程 中的大变位情况下更是如此。规范中采用此假设实际是为了方便结构计算。这种连接的 抗弯承载力只有粱本身抗弯承载力的8 0 8 5 ，违背了在抗震设计中的“强节点弱构 件”的基本原则。即使采用以梁翼缘和腹板按各自截面惯性矩分担作用于梁端的设计弯 矩的“精确设计法”，也满足不了抗震设计中“强节点弱构件。在高层中接点数量非常 多，考虑到结构中不确定因素太多，规范考虑的强度储备应该是十分必要的2 0 1 。 沈阳工业人学硕上学位论文 1 3 国内外研究现状与评述 在中国，钢结构是在7 0 年代末期、8 0 年代发展起来的，起步较国外很多发达国家 要晚很多近些年来，国内外许多学者对梁柱连接节点受力性能及其对钢框架性能的 影响作了很多分析研究。这方面的研究重点集中在： 一是对部分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 连接节点的弯矩和转角之间的关系； = 是以大量的实验为依据通过对实验数据的整理分析、验证半刚性连接钢框架的静 力和动力性能“。 过去很长一段时间，钢结构的研究主要集中在结构构件和整体研究上，而内节点眭 能的研究则较少，到上世纪7 0 年代末，这种局面才开始改变，节点性能越来越引起人 们的重视，其原因在于两个方面：第一，结构设计应尽可能建立在节点性能的准确假定 之上，如果不了解节点的性能，就不可能对节点性能做出可靠的预测。第二，为了降低 劳动力成本，必须考虑结构设计的经济性，而这与构造简单、易于设计、加工和安装的 节点密切相关【1 62 2 1 。 钢框架中梁与柱的连接起着在两种构件之间传递弯矩和剪力的作用，是钢框架 的主要组成部分，它的性能直接关系到结构的整体反应。梁柱连接的设计应满足足 够的强度和适当的刚度，满足“强节点、弱构件”以及“强梁弱柱”原则；在抗震 设计中，在抗震设计中必须满足“延性”要求，即结构破坏前有明显变形，从而降 低结构的危险性。 狗骨式节点是近几年专家学者开始研究的一种新形式节点 1 8 】。这种节点的设计 思想是粱的削弱部分截面能够改变塑性饺出现的位置，迫使在极限荷载作用下塑性 铰偏离脆弱的节点连接处，通过削弱粱来保护粱柱节点。采用这种节点经过对粱进 行了合理的截面削弱，使得较长的一段梁几乎同步进入了塑性，真正做到了增加梁 柱节点的延性，应分发挥了钢材的塑性。当然，要保证设计对梁的削弱所造成的结 构刚度和强度在正常结构设计荷载作用下，完全能满足要求。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 3 1 节点性能研究方面 1 9 9 0 年重庆建工学院提出的单因素协调法，在国内首先把影响连接性能的各个 因素分离出来，分析每个因素对连接整体的贡献，然后考虑各个因素之间的协调， 从中得到m 一0 关系2 3 1 。 1 9 9 l 一1 9 9 2 年，上海城建学院和同济大学提出在钢框架静力分析中用线形模型 代替节点非线性m o 关系。并建立了考虑节点变形的粱单无刚度方程【2 5 】。 r a t h b u m ( 1 9 3 6 ) 、m o n f o r t o n 和w u ( 1 9 6 3 ) 以及l i g h t f o o t 、l e m e s s u n i 提 出：单刚度的线性模型。它采用初始的连接刚度k 。来代表全部加载范围内的连接特 性。当弯矩增加超过连接使用极限后，这种模型就不再有效。双线模型能够更好的 表达连接特性，这种模型能够在某一转折弯矩处，用一条更平坦的线来取代弯矩一 转角曲线的初始斜率。在折线模型中，用一组直线段来逼近非线性的m e 曲线。 虽然这些线性模型使用方便，但山于不够精确，以及转折点处的刚度突变，难以用 于实践即16 1 。w 萄一f a hc h e n 在1 9 8 9 年对多种节点形式的连接作了大量的试验，并 结合其他人的试验结果，归纳建立了一个连接的试验数掘库。并用一个同实验数据 符合很好的拟合公式对具有半刚性连接的刚框架进行了稳定分析。g o m a nw a i m i n gh o ，s i u l a i c h a n ，在1 9 9 3 年提出了- - 0 0 以有限元技术为基础的割线刚度增量 法，在考虑节点柔性时，也要用在梁柱单元两端加弹簧处理。这种方法在处理大侧 移( 如角度超过1 5 。) 时，此切线刚度法更准确并具有更快的收敛性。w z s i b a i 和f f r e y 提出了一种新型单元来分析焊接节点的半刚性2 引。认为半刚 性来源于： ( 1 ) 连接柔性，南连接部分变形引起。 ( 2 ) 荷载柔性，柱子承受梁翼缘传过来的力产生不规则四边形变形。 ( 3 ) 剪切板柔性，来源于撞腹板剪切变形。 北京建筑设计院也在1 9 8 8 1 9 9 3 年间对刚框架梁柱节点进行了的试验研究， 用低周反复荷载模拟地震荷载作用，得出节点变形内力和破坏特征以及影响节点区 域承载力的主要因素【l “。 上海机电设计研究院、同济大学、西安建筑科技大学也作了类似的试验，对多 沈阳t 业大学硕f ：学位论文 种形式的节点分类做了不同的试验，并对实验结果对比分析整理得出了节点性能影 响的主要因素，对工程使用具有指导意义。清华大学则运用有限元分析通用程序 s a p 9 3 对各种节点连接形式建模计算，作了较深入细致的分析研究眦2 42 鲥。 l32 节点刚度对钢框架性能影响方面 在园外，八、九年代，有一些学者试将节点连接剐度影响考虑到钢框架的弹性分析 中，提出建立梁单元刚度方程时应考虑到连接柔性影响：对节点连接柔性对钢框架性能 影响进行研究；对半刚性连接钢框架作了非线形分析：提出一个框架的近似弹塑性分析 方法，能对具有半刚性节点的刚框架进行计算【l “2 5 】。 在国内，上海城建学院和同济大学在9 0 年代初期，便开始着手研究节点柔性对高 层刚框架影响，在国内，首先给出半刚性节点钢框架结构的分析方法，并讨论了线性化 节点分析模型的可行性：重庆建筑大学对半刚性钢框架的计算方法进行了一系列研究， 取得了许多新成果，提出刚度矩阵法，适用于半刚性连接的钢框架，进行位移、内力的 计算，以及在水平荷载和垂直荷载作用下内力的简化计算法。近几年，清华大学则运用 有限元分析通用程序对刚架性能进行了全面分析和一系列计算，取得诸多成果。西安建 筑科技大学对半刚接钢框架的有限元法也作了深入分析研究，做了大量工作，并编制了 专用程序，用增量法对有侧移和竖向荷载作用下的半刚接钢框架作了一系列的分析和计 算，在定深度上探讨了半刚性连接的钢框架的节点受力性能2 32 5 1 。 1 4 国内外梁柱节点连接的研究方法 1 4 1 钢框架梁柱连接的研究方法 钢框架梁柱节点的研究方法主要包括理论和试验两个方面。综合目自，j - 的文献资料， 围内外关于连接性能的研究方法，可以归纳为四大类： ( 1 ) 试验测定法 梁柱节点连接全过程试验测定可完整、准确地反映梁柱节点连接性能的整个过程 获得直接的、比较可靠的试验数据。因而全过程试验是目前唯一公认有效方法【2 5 j 。但真 正进行整个节点受力全过程试验，不但工作量大的惊人，而且要付出昂贵的费用，况且 实际各种工程建筑中所使用的梁柱节点连接类型不会一致，很可能干差万别，每种连接 所包含的影响因素绝非单一，并且所涉及的参数又很多，不可能做出包罗万象的试验， 沈阳工业大学硕士学位论文 所以每个试验都具有很大的片面性，不可能具有太强的代表性。统计各国有关的试验资 料，看起来似乎很多，但真正具体针对各类梁柱节点连接上，却很少无法满足理论研究 的需要，至于实际建筑工程方面，更无法满足应用的需要25 1 。同时由于梁柱连接具有 极其的复杂性，况且国外建筑和国内建筑构造有一定的差异，因而国外的研究成果，基 本上无法直接应用在我国工程的实际运用中只能作为有益的参考 2 6 加。这主要因为： 首先，连接的性能除与梁柱构件本身材料的性能有关外，还与所有连接件材料性能有 关，村料性能的不稳定会造成破坏形式的改变：其次，连接的性能与各连接件和构件之 间的相对刚度有直接联系，相对刚度的变化会导致连接的破坏模式发生根本性的变化； 第三，施工人员的技术水平也直接关系到连接的性能。 ( 2 ) 曲线拟合法 研究表明，在粱柱连接中，弯矩一转角关系最能反映连接的变形和承载力性能。因 此，从上世纪3 0 年代起就陆续提出了几种表示半冈性梁柱连接拟合曲线模型。b a t h o 首先提出以初始刚度为整个加载过程连续刚度值的单线性模型。l i o n b e r g e r 和w e a v e r 、 丁洁民和沈租炎提出了双线性模型2 引。r a z z a q 还提出了分段线性模型。这些直线模 型公式简单，使用方便，但计算精度差，尤其是刚度在折点处产生跳跃【2 6 】。为了克服直 线模型的缺陷，f r y e 等提出了多项式模型，它与试验值吻合较好，但所得切线刚度有时 会出现负值。j o n e se ta 1 提出了分段三次样条函数模型，它能给出很好地拟合曲线，但 拟合数据量大，使用不方便。此外，c o l s o n 和l o u v e a u 、a u g 和n o r r i s 、k i s h i 和c h e n 等人分别提出了差异不大的幂函数模型；l u i 和c h e n 、y e e 和n e l c h e r s 提出了多参数指 数函数模型；k i s h i 和c h e n 又提出了改进的指数函数模型【i 。幂函数和指数函数模型能 较一确、完整地拟合试验曲线，比其他模型要好【5 “1 62 引。拟合曲线能将连接| 生能以显 式表示，有利于设计计算使用。但曲线拟合方程都是建立在试验基础上的，拟合曲线又 是建立在某些特定试验的基础之上，试验数据的不足，很难保证曲线拟合方程对任意连 接都适用或准确。 ( 3 ) 解析法 解析法计算连接的弯矩一转角曲线有两种途径：一种是将连接中的主要部件分离出 来，在某些假定的基础上，获得荷载一变形关系的表达式，通过几个部件表达式的协调 沈阳工业大学硕士学位论文 计算获得m 氏曲线：另一种是对主要部件单独进行试验，以获得实测荷载一变形曲线 和拟合表达式，再通过协调计算求出连接的曲线。解析法分析清楚，计算简单，但只能 适用于简单连接或主要部件受力很明确的连接，计算中的人为测定可以使计算成为可 能，也可能出现较大偏差【l “2 5 o ( 4 ) 有限单元法 l i ps o ne ta 1 用有限元法计算了腹板单角钢连接。计算模型只考虑了外伸肢的平面 变形问题和弹塑性性能“t i t 4 。f i c h a r de t a l 用平面问题有限元法计算了单板连接问 题，模型中包括单板和被连接的全梁。t a r p ye ta 1 用有限元法计算了单侧外伸端扳连 接，由于末考虑材料的塑陛性能，与实际相差较大。m a x e l f e t a l 采用薄板弯曲单元， 剧有限