梁柱连接组合节点弯矩-转角(M-Ф))关系研究综述.pdf

Q 生 月 卷 期 深圳土木与建筑 V O L 6 N O 2 I U N 2 0 0 9 梁 柱连接 组合节点弯 矩 一转角 M 一 2 关系 研究 综述 黄兴 1 叶志明 2石文龙 2 1 上海大学理学院力学系 上海大学应用数学与力学所 2 上海大学土木系 上海大学应用数学与力学所 I 摘要 本文 对近 年来国 内 外 关 于梁 柱连 接组 合节 点弯 矩一 转角 关系 M 一 的 研究 作了 较为 完 整的 综述 详细总结了国内外研 究人员开展试验研 究和理论研究的成果 并指 出了进一步研 究的重点与方向 I 关键词l 梁柱连接组合节点 弯矩一转 角关系 1引言 钢框架分析 中常假设梁柱连接组合节点是完 全刚接的或理想铰接的 然而 实际工程中所采用 的是介于完全刚接和理想铰接之 间的半刚性连接 完全刚接和理想铰接不存在 梁柱连接组合节点的 受力特性对钢框架的受力状态 内力分布 以及变形 特性有非常大的影响 其 中 最能反映连接 的变形 与承载能力的是弯矩一转角 曲线 因此 当设计中 考虑节点的变形对结构的影响时 世界各国设计规 范均要求以节点的弯矩一转角曲线为设计依据 梁 柱连接组合节点的复杂性决定 了弯矩 一转角 曲线 是非线性的 且不同的连接方式 其弯矩一转角 曲 线各异 1 它的连接方式多样 构造形式种类繁多 几何参数多变 各组件受力状态和性能的复杂性造 成了弯矩 一转角曲线的拟合与预测都 比较困难 梁柱连接组合节点的研究始于 2 0 世纪 7 O 年代 至今 已经经过了大量的试验与理论研究 目前 它 的设计方法已经被纳入欧洲规范 E C 3 E C 4 中 然而 针对不同连接形式的组合节点的试验与理论 研究还不够完善 不能满足设计要求 2弯矩一转角关系分类 梁柱连接组合节点可分为刚性节点 半刚性节 点以及铰接节点 因此 它们 的弯矩 一转角曲线分 别为刚性连接 曲线 半刚性连接曲线以及铰接连接 曲线 蝇 圈1 鬃柱 连接 组 合节 点的 弯 矩一 转角 j I f 一口 关系 黄兴 男 上海大学理学院力学系 地址 上海大学理学院力学系 电话 1 3 8 1 8 7 5 8 6 5 4 E ma i h h in g O 1 s t a 住s h u e d u cn 24 3试验研究 自 1 9 7 2年 以来 人们针对梁柱连接组合节点 做了大量的试验研究 在工程实际中 梁柱连接组 合节点可分为中节点和边节点 国内外的研究人员 通过单调加载 循环加载以及拟静态加载等方法来 模拟实际工程状态 分析其弯矩一转角关系 本文 仅对近年来国内外的试验研究情况进行综合描述 3 1中节点 3 1 1单调加载 对梁柱连接组合中节点实施对称 非对称与反 对称单调加载 分析不同连接形式 柱翼缘 柱腹 板 端板 混凝土板 抗剪栓钉 混凝土板与宽度 混凝土板 内钢筋及其配筋率等因素对弯矩一转角 关系的影响 英国S o u t h a mp t o n大学的Y X ia o 等 1 9 9 4年对 平端板底一腹板角钢连接 部分端板连接以及腹板 角钢连接中节点试样实施梁端对称单调加载 该试 验主要研究不 同连接形式对弯矩一转角关系的影 响 英国 N o t t i n g h a m 大学的 T Q L i等 1 9 9 4年对 6 个结构 尺寸相同的平端板组合中节点试样 在梁 的不同部位实施对称与非对称加载测试 试验表明 组合中节点比纯钢中节点具有更高的弯矩能力 且 转动能力没有 降低 混凝土板 的宽度 厚度以及配 筋率对弯矩一转角关系影 响较大 非对称加载下 组合中节点的抗弯承载力与转动能力明显减弱 加 载部位距柱越近 组合中节点的抗弯承载力就越强 反之越弱 英国Wa r wick大学的N D B r o wn等 1 9 9 8 年对 4个组合中节点试样实施梁端对称单调加载 分析 了端板厚度变化 以及混凝 土板 内的钢筋分布 对组合 中节点弯矩一转角关系的影响 试验表 明纵 向钢筋可 以加强组合 中节点的抗弯承载能力与转 动能力 横向钢筋可以增强组合中节点的转动能力 对于其抗弯承载能力几乎没有影响 端板厚度增加 可以降低组合中节点的转动能力 对于其抗弯承载 能力影响较小 葡萄牙 C o imb r a大学的 L S im6 e s d a S il v a 等 2 0 0 0年对 4个组合中节点试样实施梁端对称 反 2 0 0 9 o r 6 月第 6卷第 2 VO L 6 NO 2 I UN2 0 0 9 对称单调加载 且弹性阶段力控制加载 塑性阶段 位移控制加载 试验通过对 比分析了外包混凝土加 强柱对梁柱连接组合中节 点的弯矩 一转角关系 的 影响 并根据组合中节点中柱翼缘 柱腹板 端板 混凝土板 混凝土板 内钢筋 抗剪栓钉等的应力应 变状态来分析影响中节点弯矩一转角关系 的原因 试验表面外包混凝土加强柱可 以增强抗弯承载能 力 对于组合中节点的转动能力几乎没有影响 法国里昂 I N S A大学的 I M A r ib e t 等 2 0 0 1年对 4个组合中节点实施梁端对称单调加载 试验分析 了不 同栓钉 的抗 剪连接强度对于弯矩 一转角关系 的影响 南京工业大学的高华杰 胡夏闽等在 2 0 0 2年 对支托型半刚性组合 中节 点试样进行梁端单调加 载测试 分析 了组合 中节 点的弯矩 一转角关系 2 0 0 3年过轶青 胡夏闽等对 3个端板型半刚性钢 一 混凝土组合中节点进行了单调加载测试 试验表 明由于混凝 土板和钢梁 的组合作用组合 中节点的 弯矩与转角有较大的提高 随着纵 向钢筋配筋率的 增加 组合 中节点的弯矩与转角随之有所提高 且 混凝土板的开裂对组合节点的转动能力影响不大 新加坡国立大学的 I Y R ich a r d L ie w等 2 0 0 3 年对 1个组合中节点进行反 向单调加载 对 1个同 样结构的组合中节点实施反向循环加载 目的分析 单调加载与循环加载对组合 中节点弯矩 一转角关 系的影响 试验表 明在正弯矩下循环加载的转动能 力较单调加载的强 循环加载的抗弯承载力较单调 加载的弱 负弯矩下两者弯矩 一转角关系相差不大 澳大利亚 N e w s o u t h Wa le大学的 H Y L o h等 2 0 0 4年对 6个平端板组合中节点在梁的两端进行 对称加载测试 3 7 试验表明剪切连接水平越高 抗 弯承载力与转动能力越强 配筋率越高 抗弯承载 能力越强 但是当配筋率过高时 转动能力反而减 弱 与纯钢中节点比较 组合 中节点的抗弯承载力 与转动能力明显增强 2 0 0 6年 西班牙 N a v a r r a大学的 B e a t r iz G il 等对一个平端板组合 中节 点实施非对称加载测试 试验表明靠近柱翼缘 的混凝土板 内的钢筋较其他 钢筋先屈服 增加靠近柱翼缘的混凝土板内的钢筋 直径可 以增 强组合 中节点 的抗弯承载力与转动能 力 组合中节点的弯矩一转角曲线是非线性的 非 对称加载影响组合 中节 点的抗弯承载力与转动能 力 钢梁与混凝土板之 间有微小 的滑移 意大利 T r e n t o大学的 A B r a co n i等对 1个局部强度 的组合 中节点实施单调加载测试 试验表 明组合中节点具 有较好的转动能力 当楼板漂移角度超过0 0 8 r a d 时 单调加载中断 英国 L e e d s大学的 F F u与 D L a m等对 8 个平端板预制空心混凝土板的组合中节 点实施对称加载测试 用 以研究抗剪连接件间隔 第一个抗剪连接件的位置 剪切连接件的度数 纵 向钢筋 的截面积 以及混凝土板厚度等参数变化对 弯矩一转角关系 的影响 试验表明所有的试样转动 能力超过3 0 mr a d 抗弯承载力在0 3 Mp a 以上 第 一 个抗剪连接件 的位置与柱翼缘的距离与混凝土 板 的裂纹形成有一定的影响 第一个抗剪连接件距 柱翼缘越远混凝土板上的裂纹越多 且有明显的界 面滑移现象发现 抗剪连接件间隔对抗弯承载力和 转动能力没有较大的影响 剪切连接件的度数越低 界面滑移值越大 导致抗弯承载力与转动能力越低 纵 向钢筋的数量越多即纵 向钢筋的截面积越大 抗 弯承载力与转动能力越大 混凝土板厚度 的增加可 以加大抗弯承载力 但是对转动能力影响较小 3 1 2循环加载 对梁柱连接组合中节点实施循环加载 分析不 同连接形式 抗剪栓钉 高强螺栓 压型钢板 钢 梁 钢柱 加劲肋 以及混凝土板内的纵 向钢筋配筋 率的等 因素对弯矩一转角关系的影响 葡萄牙 I n s t j t u t e S u p e r io r T e cn ico的 L C a la d o 等 2 0 0 0年对两个组合中节点试样实施循环加载 采用位移控制的逐步加载方式 其中一个试样是组 合梁与钢柱 另一个是组合梁与加筋混凝土钢柱 通过试验数据分析了两者的区别以及在正 负弯矩 作用下加筋混凝土对 中节 点的弯矩 一转角关系的 影响 试验表明外包加劲混凝土钢柱使得组合 中节 点的抗弯承载能力明显增强 但是对组合 中节点的 转动能力影响较小 法 国里 昂 I N S A大学的 I M A r ib e t 等 2 0 0 1年对 2个组合中节点的柱顶沿竖 向实施循环加载 分析 不 同栓钉 的抗剪连接强度对弯矩 一转角关系的影 响 新加坡 国立大学的 l Y R ich a r d L ie w等 2 0 0 3 年对 6个组合中节点实施反 向循环加载 试验表明 平端板且柱腹板焊接加劲肋 的组合 中节点 比无加 劲肋的组合节点正弯矩能力增加 负弯矩能力没有 增强 两者转动能力相差不大 外伸端板组合 中节 点比平端板组合 中节点正弯矩能力高 3 0 以上 对 于负弯矩能力影响较小 外伸端板转动 能力较强 针对梁端加腋连接的组合 中节点 其正负弯矩能力 都有显著提高 且加腋深度与钢梁深度的比越大正 负弯矩 能力越强 但是转动能力有所减弱 如果钢 柱外包混凝土 那么组合中节点的正负弯矩能力也 有所增强 转动能力影响不大 南京工业大学的杨丽 胡夏闽等在 2 0 0 4年对 3个半刚性组合中节点实施循环加载测试 试验表 2 5 2 0 0 9年 6月 第 6卷第 2期 深圳 土木与建 筑 VO L6 NO 2 I UN2 0 0 9 明组合中节点的弯矩一转角关系受高强螺栓 压型 钢板 钢梁 钢柱 加劲肋以及混凝土板 内的纵向 钢筋配筋率的影响 且组合节点比纯钢节点抗弯承 载力和转动能力都有所增强 适当增大配筋率对组 合节点的抗弯承载力影响较大 但是过大的配筋率 却使强度增加不明显 同济大学的石文龙 李国强在 2 0 0 5年等对 2 个平端板半刚性组合 中节点进行 了循环加载试验 试验表明钢筋 的抗拉以及混凝土 的抗压作用使得 组合中节点的弯矩与转角都有所增大 且柱腹板的 横 向加劲肋在一定程度上可 以提 高组合 中节点的 抗弯承载力 但是提高幅度不大 3 1 3拟静态加载 为了更好的分析组合中节点的抗震能力 研究 人员对梁柱连接组合中节 点实施了拟静态加载试 验 同济大学的石文龙 李国强等在 2 0 0 5年对 2 个平端板半刚性组合中节点进行了拟动力加载试 验 试验表明钢筋的抗拉以及混凝土的抗压作用使 得组合中节点具有较好的抗震能力 柱腹板的横向 加劲肋在一定程度上可以提高组合中节点的抗弯 承载力 但是提高幅度不大 且试件的最大加速度 反应与输入地震波 的峰值在弹性阶段弯矩 一转角 关系基本是线性的 进入塑性阶段之后 弯矩一转 角关系处于非线性状态 意大利学者 L B r a co n i等 2 0 0 6年在 T r e n t o大 学对 1 个局部强度的组合中节点实施准静态循环测 试 试验表 明组合 中节 点的转 动能 力最少超 过 3 5 mr a d 且试样失效部位为梁端底翼缘与端板的焊 接连接 处 3 2边节点 3 2 1单调加载 对梁柱连接组合边节点实施梁端对称 反对称 以及正向单调加载 分析锚固 外包混凝土加强柱 纵向钢筋配筋率 柱翼缘内填充混凝土 混凝土板 和钢梁的组合作用 混凝土板内中间钢筋的直径以 及锚固的纵 向U型钢筋等因素对弯矩一转角关系的 影响 葡萄牙 C o imb r a 大学的 L S im6 e s d a S ilv a等 2 0 0 0年对 4个组合边节点试样实施梁端对称 反 对称单调加载 且弹性阶段力控制加载 塑性阶段 位移控制加载 试验通过对比分析了边节点的锚固 以及外包混凝土加 强柱对梁柱连接组合边节 点的 弯矩 一转角关系的影响 并根据组合边节点中各组 件 的应力应变状态来分析各组件对边节点弯矩 一 转角关系的贡献 试验表明外包加劲混凝土钢柱使 得组合边节点的抗弯承载能力明显增强 但是对组 合边节点的转动能力影响较小 南京工业大学的过轶青 胡夏闽等在 2 0 0 3年 对 3个端板型半刚性钢 一混凝土组合边节点进行了 单调加载测试 试验表明由于混凝土板和钢梁的组 合作用组合边节点的弯矩与转角有较大的提高 随 着纵向钢筋配筋率的增加 组合边节点的弯矩与转 角随之有所提高 且混凝土板的开裂对组合节点的 转动能力影响不大 且组合边节点的抗弯承载力与 转动能力比同类组合中节点要高 2 0 0 6年董硕 胡夏闽等对 2个平齐式端板组合边节点进行了正向 单调静力加载试验 试验表 明柱翼缘内填充混凝土 有助于提高组合柱节点板域的整体性能 使其初始 刚度得到提高 且正向抗弯承载力有所增大 但是 增加幅度不大 2 0 0 6年 西班牙 N a v a r r a大学的 B e a t r iz G fl 等对 2个平端板组合边节点实施梁端加载测试 试 验表 明组合边节 点的抗弯承载力与转动能力 比中 节点明显降低 增加混凝土板 内中间钢筋的直径 可以明显增强组合边节点的抗弯承载力与转动能 力 意大利学者 B r a co n i等对 1个局部强度的组 合边节点实旌单调加载测试 试验表明在抗弯承载 力方面 组合边节点远大于中节点 这是由于边节 点混凝土板内埋入了用于锚固的纵向 U型钢筋 但 是在转动能力方面 两者相差不大明显 3 2 2循环加载 对梁柱连接组合边节点实施位移控制的逐级 逐级双向以及柱顶沿竖向循环加载 分析不同连接 形式 加筋混凝土钢柱 抗剪栓钉 植入嵌齿螺栓 钢筋配筋率 柱翼缘 内填充混凝土 锚固 端板厚 度等因素对弯矩一转角关系的影响 葡萄牙 I n s t it u t e S u p e ri o r T e cn ico的 LC a la d o 等 2 0 0 0年对两个组合边节点试样实旌循环加载 采用位移控制的逐步加载方式 其中一个试样是组 合梁与钢柱 另一个是组合梁与加筋混凝土钢柱 通过试验数据分析了两者的区别以及在正 负弯矩 作用下加筋混凝土对边节 点的弯矩一转角关系的 影响 试验数据表明外包加劲混凝土的钢柱使得组 合边节点的抗弯承载能力明显增强 但是对组合边 节点的转动能力影响较小 2 0 0 1年法国里昂 I N S A大学的 1 MAr ib e t 等对 2个组合边节点的柱顶沿竖 向实旆循环加载 分析 不 同栓钉的抗剪连接强度对弯矩 一转角关系的影 响 澳大利亚 T e ch n o lo g y S y d n e y大学 L E G a r d n e r 等 2 0 0 3年对 5个圆钢管混凝土柱 钢梁顶底 T型 钢连接 腹板部分端板连接 螺栓植入钢管混凝土 内的组合边节点施加位移控制的循环荷载 分析螺 2 0 0 9年 6月 第 6卷第 2期 深圳 土木 与建 筑 VOL 6 N0 2 I UN2 0 0 9 栓植入深度和植入方式对组合边节点弯矩 一转角 关系的影响 试验表明植入嵌齿螺栓与直螺栓相 比 组合边节点的转动能力较强 但是组合边节点的抗 弯承载力相差不大 且植入螺栓越长 组合边节点 的抗弯承载能力和转动能力就越强 美国 G e o r g ia I n s t i t u t e o f T e ch n o lo g y的 T r a v is P G r e e n等 2 0 0 4年对 T型支托在梁底 抗剪板 腹 板螺栓连接以及抗剪板 腹板螺栓连接 的组合中节 点实施逐级双 向循环加载 试验表 明 1 0 的载荷 步骤连接处于弹性状态 1 0 的载荷步骤之后连接 进入塑性阶段 弯矩一转角曲线收缩 1 5 的载荷 步骤柱腹板域发生严重屈服和损坏 S 0 的载荷步 骤 所有的抗剪栓钉发生屈服 变形甚至断裂 混 凝土板能增强组合中节 点的抗弯承载力和转动能 力 当单向侧移 2 或双向侧移 3 时 组合行为 破 坏 南京工业大学的郑德胜 胡夏 闽等 2 0 0 5年对 4个半刚性端板连接组合边节点进行 了循环加载试 验研究 4 8 试验表 明配筋率的提高对组合节点负弯 矩的抗弯承载力有较大的影响 而对正弯矩的抗弯 承载力影响不大 配筋率对转动能力有所提高 但 是当配筋率较高时 组合边节点纵向钢筋易发生锚 固破坏 柱翼缘 内填充混凝土可增加抗弯承载力 但是转动能力相对减小 上海大学的石文龙 黄兴等 2 0 0 8年对六个半 刚性平端板连接组合边节 点进行 了循环加载试验 研究 试验表明端板厚度 边节点锚固对边节点的 抗弯承载力和转动能力有较大影响 3 2 3拟静态加载 意大利研究人员对组合边节点实施拟静态循 环加载 分析凝土板 内使用 U型纵向钢筋锚 固 混 凝土板扩展超过柱边 压型钢板的加劲肋方向等因 素对弯矩 一转角关系的影响 T r e n t o大学的 A B r a co n i等 2 0 0 6年对 1个局 部强度的组合边节点实施拟静态循环测试 试验表 明由于混凝土板内使用了 U型纵 向钢筋的锚固 使 得组合边节点的抗弯承载力不但不会降低 反而得 到增强 其转动能力与中节点几乎一样 由此可知 组 合 边 节 点 实 施 锚 固 可 以 增 加 其 抗 震 能 力 P o lit e cn ico d i Mila n o的 G V a s d r a v e llis 等 2 0 0 7年 对 2 类 4个局部强度的端板连接的组合边节点进行 了拟静态循环加载测试 第一类试样是混凝土板扩 展超过柱边 且没有次横 向梁存在 压型钢板的加 劲肋方 向与梁方向垂直 第二类试样是混凝土板没 有扩展 且压型钢板 的加劲肋方向梁方 向水平 试 验表明两类试样的抗弯承载力相差不大 但是转动 能力差距较大 4理论研究 迄今为止 分析梁柱连接组合节点弯矩 一转角 关系的模型很多 总体来讲分为两类 即宏观模型 整体模型 和微观模型 组件模型 有限元模型 等 4 1 宏观模型 宏观模型是指针对梁柱连接组合节点的连接 类型 根据试验数据对其连接弯矩一转角 曲线进行 拟合 并采用宏观模型来研究梁柱连接组合节点的 性能 由于梁柱连接组合节点连接形式多样性 受 力性能各有差异 所以很难使用一个简单地公式对 梁柱连接组合节点弯矩 一转角关系进行拟合分析 目前 分析梁柱连接组合节点弯矩一转角关系的宏 观模型主要是数学模型 包括线性模型 多项式模 型 B样条模型 幂函数模型以及指数模型等 这 些模型各 由优缺点 4 1 1线性模型 线性模型分为三种 单线性模型采用初始刚 度来代表加载范围的连接特性 当弯矩超过连接的 屈服极限后 不能反映连接的非线性特征 双线 性模型取初始刚度 为节点连接 屈服 极限之前 的刚 度 屈服之后弯矩一转角关系仍为线性 此模型计 算简便 但是不够精确 且在转折处存在刚度突变 多线性模型使用 多段直线来逼近弯矩 一转角 曲 线 虽然能更好的反映弯矩一转角关系 但是计算 量大 且仍存在转折处刚度突变 4 1 2多项式模型 1 9 7 5年 F r y e 和 Mo r r is 给出了一个奇次方多项 式模型 采用最小二乘法拟合弯矩一转角 曲线 模 型形式为 0 c1 M C 2 M C 3 彳 1 式中 取决于连接类型和几何特性 和 为 曲线拟合常数 该模型能较好的反映弯矩一转 角关系 但是需要大量的试验数据进行参数拟合 且有可能会 出现负刚度现象 1 9 8 5 年 A A z iz in a mi n i 等对 1 式提出了参数 的改进计算公式 K 砰 2 式中 P i是与连接几何特性有关的参数 a f 是 试验 曲线拟合的参数 4 1 3 B样条模型 I o n e s 等在 1 9 8 0 与 1 9 8 2年提 出了B样条模型 采用 B样条曲线拟合弯矩 一转角关系 曲线 模型形 式为 m 口 zM z M M i 3 i 1 i 1 式中 n b i为拟合常数 m为两插值区间的 27 2 0 0 9年 6月第 6泰 第 2期 深圳 土木 与建筑 VOL 6 NO I O 9 交点数量 M 为曲线第插值区间的上边界弯矩 该 模型精度较好 但是需要大量的试验数据才能确保 计算精度 4 1 4幂函数模型 K r is h n a mu r t h y等在 1 9 7 6年提 出了二参数幂 函数模型 用来拟合弯矩一转角关系 二参数幂函 数模型为 0 a M白 4 式中 a 6 为拟合参数 且n 和6 都大于零 该 模型不能很好的反映弯矩一转角关系特性 1 9 8 3年 C o ls o n等提出了三参数幂函数模型 三参数幂函数模型为 1 8 1 M M 式中 Mo 为初始弯矩 为参考转角 为强化 刚度 a 为标量系数 为曲线拟合常数 此模型 精度与三次 B样条模型一样 但是当弯矩一转角曲 线斜率急剧下降时 此模型不能很好的拟合 为此 K is h i等提出了一个改进的模型 改进模型为 M y c 1 一 P l o t I2 i 1 n D 七 一O D H O O k 1 0 J 一 j l 式中 为线性部分的定值参数 为初始转 角 圳 为 h e a v i s id e 阶梯函数 1 9 9 0年 Wu等提 出了一个用于拟合顶底角钢 式中 为初始刚度 为极限抗弯承载力 z 为弯矩一转角曲线形状参数 K is h i和 C h e n 1 9 9 0 年将三参数幂函数模型进行 了修改 形式如下 1 M M D 1 6 0 K M 1 K M oJ 11 7 一 一l f 十 一 I J 0 0 l l 0 和 1 9 o 为参照弯矩与转角 礼 为弯矩一转角 曲 一坶 1 T 2 8 M Xc 1 一 e I I2 l o r l 9 f 1 连接和带双腹板角钢 的顶底角钢连接 的三参数指 数模型 该模型为 InIn 1 1 1 H J 1 1 式中 为极限抗弯承载力 6 0 为参考转角 S a n g S u p L e e 等 2 0 0 2年提出一个拟合半刚性 连接的两参数指数模型 该模型为 M a I n n 1 0 0 1 n 式中 a 和礼 为最小二乘法拟合得到的形状参数 4 1 6 E u r o co d e 3模型 E u r o co d e 3中把弯矩一转角曲线分为线性段 非线性段 水平段 并分别给出了各阶段的表达式 线性段 M K o O M 2 3 1 2 非线性段 M Me 3 M 1 3 水平段 此段假定为理想塑性 即M Mp 式中 MP 为塑性抗弯承载力 为初始刚度 礼 为与连接类型有关的常数 根据 E u r o co d e 3模型的特点 2 0 0 6年石永久 等针对钢结构半刚性端板连接提 出了弯矩一 转角关 系简化算法 2 该方法把弯矩一转角 曲线分为三段 第一段为直线 第二段为曲线 第三段为直线的三 线段 该方法能较好的计算端板连接在节点弯矩小 于节点节点抗弯承载力设计值时的节点转角 但是 在转折处仍存在刚度突变 整体上难 以反映实际的 弯矩 转角关系 精度不够好 4 2微观模型 微观模 型是指通过对梁柱连接组合节点连接 的几何关系和材料性能进行分析 预测梁柱连接组 2 0 0 9年 6月箍 6卷第 2期 深圳 土木 与建 筑 V O L 6 N O 2 I U N 2 0 0 9 合节点弯矩 一转角曲线 分析节 点性能 4 2 1组件模型 组件模型是指将连 接划 分为一系列 的刚性 单 元和可变单元 通过对这些单元采用弹塑性本构关 系来模拟梁柱连接组合节点的非线性行为 根据连 接的几何关系和材料性能 通过整合连接 的各离散 单元 预测梁柱连接组合节点弯矩一转角 曲线 目 前 运用较多的是弹簧组件模型 弹簧组件模型是 指使用若干根弹簧模拟梁柱连接组合节点的各个 组件 针对各组件的特点 求出所模拟弹簧的本构 关系 并对其进行力学分析 从而预测梁柱连接组 合节点弯矩一转角曲线 目前 预测梁柱连接组合 节点弯矩一转角 曲线的弹簧组件模型很多 主要有 以下几种 4 2 1 1 T R S I模型和 T R S 2模型 澳大利亚 I n n s b r u ck大学的T s ch e mme r n e g g F 和 Q u e ir o z G 1 9 9 5年提出了T R S 1模型 如图 2 该模型中弹簧 1表示钢连接单元的变形 角钢 T 型件和端板 弹簧 2表示柱腹板的变形 弹簧 3 表示柱腹板域域的剪切变形 弹簧 4表示柱与混凝 土板的相互作用 弹簧 3表示混凝土板内钢筋的变 形 弹簧 6称为 回滞 弹簧 表示非对称荷载下 柱翼缘对混凝土板的相互作用 T R S 1 模型能较好 的 预测负弯矩下梁柱连接组合节点弯矩一转角曲线 但是不能预测正弯矩作用和循环加载作用的情况 2 0 0 4年意大利 T r ie s t e 大学的 G A R a s s a t i等在 T R S 1模型的基础上提 出了 T R S 2模型 如图 3 该模型与 T R S 1模型相比 使用范围更具普遍性 并可 以用于预测循环荷载下梁柱连接组合节 点弯 矩 一转角曲线 弥补了 T R S I模型的不能用于循环 荷载情况的缺点 T R S 2模型中弹簧 1表示顶 底 钢连接件 弹簧 2表示拉压作用下的柱腹板 弹簧 3表示腹板连接件 弹簧 4表示混凝土板与钢梁之 间的滑移 弹簧 5表示柱腹板域的剪切变形 弹簧 6表示混凝土板 弹簧 7表示混凝土板 内的钢筋 弹簧 8表示 回滞 弹簧 T R S 2模型不仅包含 T R S 1 模型的所有特性 而且增加 了以下特性 改善了本构模型 考虑了节点域的剪切变形 考虑了混凝土板与钢梁之间的滑移 假设混凝土板在两个方向独立作用时 扩展 到三 维 4 2 1 2有限单元模型 2 0 0 0 年 瑞 士S wis s F e d e r a l I n s t it u t e o f T e ch n o lo g y的 M K a t t n e r与 M C r is in e l提出了一个 通用的二维组件节点模型 如 图 4 该模型由梁 单元 压型钢板单元 混凝土板单元 单元柱以及 代表抗剪栓钉 连接件和混凝土板与柱翼缘相互作 用 的弹簧单元等组成 该模型能较好地预测梁柱半 刚性连接组合节点的弯矩 一转角关系 图2 T R S 1 模塑 圈 3 T R S 2 模型及其三雏形式 29 2 0 0 9年 6月 第 6卷 第 2期 深圳 土木 与建筑 V O L 6 N O 2 I U 2 0 9 一 圈 4 有限单元模型 4 2 1 3微单元模型 斯里兰卡 P e r a d e n i y a大学的 u I D i s s a n a y a k e 等 2 0 0 0年在考虑梁柱组合节点 柱腹板剪切变形 钢筋混凝土板区域 以及剪切连接件的柔性 的基础 上提出了微单元模型 如图 5 预测梁柱连接组 合节点的弯矩一转角关系 微单元模型由四部分组 成 表示组合节点的柔性的弹簧单元 表示柱 腹板的刚性梁单元 表示钢筋混凝土板行为的普 通梁单元 表示组合梁的局部相互作用 的梁柱单 元 通过对英国 Wa r wick大学 A n d e r s o n和 N a j a fia 的两个试验结果 英国 N o t t i n g h a m大学的 X ia o等 的两个试验结果以及法国 R e n n e s大学 A r ib e r t等 的一个试验结果进行直接 比较证明微单元模型能 较好地预测梁柱连接组合节点的弯矩一转角特性 该模型可以应用于任何类型的梁柱连接组合节点 但是模型中没有考虑柱腹板域的剪切变形的柔性 4 2 1 4细化模型 意大利 T r e n t o大学的 A B r a co n i等 2 0 0 7年在 考虑梁柱的屈曲行为的基础上提出了细化模型 如 3 0 图 6 预测梁柱连接组合节点的弯矩一转角关系 细化模型中弹簧 1表示受压混凝土 弹簧 2表示受 剪柱腹板域 弹簧 3表示正弯矩作用下受压上 T型 钢 弹簧 4表示正弯矩作用下受拉下 T型钢 弹簧 S表示受拉混凝土板 弹簧 6表示正弯矩作用下梁 上的抗剪栓钉 弹簧 7表示负弯矩作用下受拉上 T 型钢 弹簧 8表示负弯矩作用下受压下 T型钢 弹 簧 9表示负弯矩作用下梁上的抗剪栓钉 u 和u 表 示初始位置上钢梁下翼缘的水平位移 u 3 和u 4 表示 钢柱两边混凝土板上表面的水平位移 和 表示 相对柱翼缘面钢梁的转角 y 表示柱腹板域的剪切 变形 A B r a co n i等把细化模型预测的梁柱连接组合 节点 的弯矩 一转角关系与对梁柱连接组合节点实 施单调加载和准静态循环加载所得到的试验数据 相比较 证实该模型具有较好的精度 通过对该模 型进行有限的参数化分析 A B r a co n i等发现在混凝 土板厚度 以及梁端板厚度等参数发生有限变化时 它能较好的预测梁柱连接组合节点的弯矩 一转角 特性 图 5 徽单元模型 弹簧单元 2 0 0 9年 6月第 6卷第 2期 深圳 土木 与建筑 VO L 6 N0 2 I UN2 0 0 9 圈 6 4 2 2有限元模型 有限元模型是指使用有限元软件 根据梁柱连 接组合节点各组件的特点以及节点的结构形式 建 立有限元模型 用以模拟梁柱连接组合节点的受力 与变形 预测梁柱连接组合节点的弯距一转角关系 同济大 学 的何 天 森 李 国强 2 0 0 4 年运 用 A N S Y S对平端板连接组合节点进行 了三维有限元 分析 研究了端板厚度 混凝土板内的配筋率等参 数对单调荷载下弯矩一转交关系的影响 3 2 0 0 5年 叶康 李 国强采用实体有限元对高强螺栓延伸 齐 平端板连接节点建立分析模型 考虑几何非线性和 材料非线性 利用等参变换 数值积分形成单元刚 度矩阵 求得弯矩 一转交关系 4 2 0 0 5年 哈尔滨工业大学的王文波等对钢框 架梁柱平端板连接组合节点进行了三维 有限元数 值模拟 分析了端板厚度 钢筋 螺栓 节点形式 等采纳数对组合节点弯矩 一转角关系的影响 5 英 国 L e e d s 大学的 D L a m等使用 A B A Q U S软件对拥有 预制混凝土板 的半刚性梁柱组合节 点建立三维有 限元模型 模拟螺栓荷载 端板 混凝土单元 加 强筋 剪切连接件 梁和混凝土板之问的界面对弯 矩一转角的影响 6 西南林学院的王琼芬等 2 0 0 6年利用 A N S Y S软 件对端板 型半 刚性组合节点进行 了弹塑性有限元 计算 分析了混凝土板重纵 向钢筋总面积以及钢筋 强度对弯矩一转角关系的影响 7 沈阳建筑大学刘晓辉等 2 0 0 7年运用通用有 限 元软件 A N S Y S建立半刚性外伸式端板连接节点分 析模型 分析它的的弯矩一转角关系 并与试验结 果进行对 比 表 明A NS Y S 软件能较好地对半刚性外 细化 梗型 伸式端板连接节点进行数值模拟 且结果可靠 0 英国 L e e d s大学 的 F e n g F u等 2 0 0 7年对半刚 性组合连接建立三维有限元模型 模拟研究半刚性 组合连接 的弯矩一转角的特性 并分析了梁的尺寸 端板的厚度 柱腹板的厚度 混凝土板的深度 以及 剪切连接件 的间隔对弯矩 一转角关系的影响 9 2 0 0 8年他们使用 A B A Q U S软件 对具有预制空心 混凝土板 的半刚性组合节点建立三维有 限元模型 在考虑材料 的非线性特性 以及几何非线性行 为的 基础上 模拟分析负弯矩作用下螺栓端板连接 的组 合节点的弯矩 一转角响应 1 0 2 0 0 8年 西班牙 N a v a r r a大学的 B e a t r iz G il 等对半刚性组合中节点 边节点建立三维有限元模 型 并进行数值模拟研究 分析边界条件 加强筋 剪切连接件 螺栓 混凝土板等对节点弯矩一转角 关系的影响 并与试验数据 比较 研究表明有限元 方法对半刚性组合中节点 边节点的研究具有较好 的 精 度 1 1 1 伊 朗S h a r if 科 技 大 学 的 M R Mo h a ma d i s h o o r e h 等对半刚性平端板连接节 点建立三维有限元模型 讨论材料 几何非连续性 以及大位移等参数的变化对其初始旋转刚度 弯矩 一 转角关系的影响 实验结果表明分析数据与试验 数据吻合较好 1 2 1 5结语 综上所述 目前国内外对梁柱连接组合节点弯 矩 转角 M 一 关系 已有较多的试验与理论研究 今后应在 以下方向进行进一步的研究 目前试验研究大多是静态加载和循环加载 针对拟静态加载 的试验较少 应加强研究拟静态加 载时各因素对中节点和边节点的影响 31 2 0 0 9年 6月 第 6卷第 2 期 深圳 土木 与建筑 V O L 6 N O 2 I U N 2 0 0 9 某工程粘 l i J 2 固柱的承载力验算 潘东辉 1叶成浩 2尧国皇 3 1 广东东莞东莞理工学院 2 博思空间结构设计咨询有限公司 3 深圳市市政设计研究院有限公司 I 摘要l 介绍一工程粘钢加 固圆柱的方式和相应的正截面压弯承载力验算方法 包括截面承载力极限状态 的简化计算方法 二次受力影响 以及构件二阶效应的处理和双偏压粘钢柱的截面验算 I 关键词l 加固 粘钢 二次受力 双偏压 二阶效应 本工程位于河南省郑州市 为一公共建筑 建 筑场地类别为 I I 类 设防烈度为 8度f 0 2 0 9 建 筑共 4层 层高在6 0 7 0 m之间 平面呈扇形展开 柱距在7 8 9 6 m之 间 大部分柱采用直径8 0 0 mm 的钢筋混凝土圆柱 主要框架梁为3 5 0 X 8 0 0 mm 3 5 0 X 9 0 0 mm 结构施工至第 2层柱时建设方要 求在建筑的主立面增设一椭圆形球体 见 图 1 内部可作为温室 并设一环形走道 作观赏和养护 潘东辉 广东东莞东莞理工学院 地址 深圳市前海阳光棕榈 园 5栋 4单元 1 0 A房 电话 1 3 7 1 4 6 3 9 7 7 1 E ma i l p a n d h s cu t 1 6 3 co rn 植物用途 原设计对椭圆形球体作用考虑不全 故 椭圆形球体支撑柱正截面压弯承载力普遍不足 因 工期限制 经考虑决定采用粘钢加 固的方法提高支 撑柱的承载力 1粘钢力 口 固方式 椭球体温室 圈 1 建筑削面 僻僻 褂褂绀妇 协佃 绀相争 耕槲 相 争佃 佃 耕 佃 妇 协相 相 协耕相 妇 佃 褂妇 妇 褂臼 斜恸妇 绀 在试验研究中 应加强分析各连接形式 以及 各因素对组合中节点和边节点的影响 建立试验数据库 为研究人员今后的研究提 供借鉴 为组合结构设计规范的制定提供依据 针对梁柱连接组合节点弯矩 转角 M一 关 系的非线性特性 根据各种形式 的组合节点的特 点 与规律 建立各 自特性的计算模型与方法或统一的 计算模型与方法 并研究配筋率 端板厚度 楼板 厚度 螺栓布置 压型钢板 钢梁尺寸等各种参数 对中节点和边节点的影响 加大对有限元方法的研究 建立梁柱连接组 合中节点和边节点的 3 D有限元模型 模拟各种连 接的非线性行为 分析各参数对弯矩 转角 M 一 关系的影响 深入开展理论研究 开发新的理论研究方法 开发新的梁柱连接组合节点形式 参考文献 1 郭兵 柳锋 顾强 粱柱端板连接的破坏形式及弯矩转角关系 J 土木 工程学报 2 0 0 2 3 S S 2 4 2 7 2 石永久 施刚 王元清 钢结构半刚性端板连接弯矩一转角曲线简化 计算方法U 土木工程学报 2 0 0 6