高层抗震钢结构梁柱连接节点性能分析12

高层抗震钢结构梁柱连接节点性能分析15543由于具有轻质高墙和高度可能性的特点，钢结构在高层建筑中的应用日益增多，加上钢结构具有良好的延性和韧性，使它在抗御地震方面处于其它材料结构无法与之相比的优势地位。在高层钢结构抗震设计中，梁与柱的连接节点是关键部位，它起着在两种构件之间传递弯矩和剪力（剪力与轴力的转换）的作用。如果节点不能提供产生杆端弯矩所需的约束，则将导致结构性能的改变，结构的极限强度亦不同于设计者的预计值。因此，所有节点及其连接应满足强度、延性和耗能能力三方面的要求。1高层钢结构梁、柱连接形式目前，高层钢结构梁柱连接一般采用刚接，广泛采用的节点构造形式分为：（1）全焊接连接；（2）高强螺栓与焊接混合连接；（3）借助T形连接件的高强螺栓连接。其连接形式分别见图1（a）（b）（c）。国内外许多科研机构对上述三种不同形式的连接性能进行了试验研究，认为：制造良好的全焊接连接节点在反复加载作用下，节点承载能力没有降低，荷载-挠度滞回曲线呈稳定的纺锤形，连接具有良好的延性；第二种连接形式梁翼缘与柱翼缘完全焊接，腹板用高强螺栓与柱连接，同等挠度下回线的重复，表示经过反复加载后，节点承载能力亦没有降低，但这种形式的连接在经过多次非常剧烈的全周反复后，会突然断裂，表明与柱子腹板的这种连接具有的延性较全焊接连接节点具有的延性稍差，但拴焊混合节点也能满足工程抗震所要求的延性。第三种连接可简化制造和安装，但受T型钢和高强度螺栓性能影响较大，有时达不到刚性连接要求。2梁-柱连接节点的计算框架出现塑性从梁-柱连接处开始，再逐步扩展。为了充分发挥梁的承载力，连接一定不能成为薄弱环节。连接节点的强度应等于或大于发挥梁的全部抗弯能力所要求的强度，这样可以在梁端部形成塑性铰，经过转动，再在跨中形成塑性铰和弯矩的重分配，使结构能承受比弹性分析更高的荷载。要保证连接节点具有足够的强度和转动能力，必须研究分析连接节点的受力性能，以便采取相应的设计计算和合理的构造措施。梁-柱连接节点的破坏，可能由柱腹板的压坏或失稳、柱翼缘变形、板区受剪屈服或失稳引起。为避免这几种破坏的发生，应对梁-柱连接节点部位进行验算：在梁的受压翼缘处，由弯矩引起的集中压力对柱腹板(当未设水平支承加劲肋时)产生挤压力，该挤压力沿柱高度分布长度为t+5(t+t),见图2。其中t和t分别为梁柱翼缘的厚度，r为柱翼缘与腹板间圆角半径或角焊缝焊角尺寸。若梁翼缘屈服时，柱腹板保持稳定并达到屈服应力，则柱腹板的厚度应满足：At三t+5(t+t)式中：t柱腹板的厚度，A梁受压翼缘的截面积。当柱腹板的厚度不能满足上式要求时，应设置柱腹板水平支承加劲肋，以保证柱腹板的强度和稳定。（2）在梁受拉翼缘的拉力作用下，柱翼缘的伸出部分受载，象悬臂梁，并使它轻微地弯曲，见图3。伴随着这种弯曲的产生，梁与柱连接焊缝的外端应力将降低，从而使该焊缝中部与柱腹板连接的地方受载较大，焊缝很容易破坏。为了防止柱翼缘外深部分变形过达，保证梁翼缘应力分布比较均匀，柱翼缘的厚度应满足下式要求：由于水平加劲肋对提高节点刚度和板域（由柱翼缘和水平加劲肋围成）的承载力有重要影响，因此，高层建筑结构的梁-柱弯连接节点，均应设置水平加劲肋。（3）梁与柱连接节点的板域在周边剪力和弯矩作用下，剪应力可能很大，有首先屈服的可能性，同时过大的剪应力会使板区产生很大变形，增大楼层的侧移，是薄弱部位，应验算抗剪强度。梁与柱节点板域承受的剪力和弯矩如图4所示。板与的剪应力可由下式表示：式中：分别为梁和柱的腹板高度，t为板域厚度。实际的分布在板域中心部位最大，屈服从该部位开始。由于板域四周有较强的弹性约束，板域剪切屈服后，剪切承载力仍可提高。试验证明，板域的达到（为剪切屈服应力）时，板域仍保持稳定。为简化计算，忽略柱剪力及柱轴力影响，按下式验算抗剪强度：式中：f为钢材抗剪强度设计值。若节点板域的剪应力符合上式要求时，则节点板域柱腹板不需要加强。否则柱腹板应予补强。常用的加强腹板的方法有：采用对角加劲肋，K型加劲肋和双板。通过上述对梁-柱连接节点受力性能的分析和计算，可以认为这样设计的节点具有足够的强度和刚度。然而，我们应该注意到这样一个问题：为避免梁-柱连接节点产生上述的三种破坏，往往在通过计算后，采取增加柱翼缘或腹板厚度或设加劲肋的办法解决。但是随着材料厚度的增加，钢材由于轧制时压缩比小，其强度，冲击韧性和焊接性能都较差，且易产生三向残余应力。同时厚钢板的含碳量通常较高，延性降低。而延性对于塑性设计和抗震设计之中的弯矩重分配是很重要的。另外，材料厚度和焊缝厚度之间一般存在某种比例关系，焊缝的断面越大，收缩也必然越多。若由于收缩产生的应变因连接的几何特征而被局限在局部范围，则可能超过被连接件达到屈服点时通常出现的应变值。若被连接件较薄或者能自由转动，应变会因构件变形而减小。若厚板的出平面刚度很大不能转动时，局部收缩应变就可能变得很大，并可能引起层裂。因此，我们必须考虑出现层裂时对节点性能的影响。加劲肋的设置，会引起约束。在某些连接构造中，由于较高的局部约束，可能导致破裂，很多人认为加劲肋提高了较安全的连接，实际上却产生很多问题。加劲肋常常放在两翼缘之间的腹板范围，容易引起很高的残余应力。这种情况实际上能引起翼缘层裂，因为这些应力作用于板厚方向。3结语为使梁-柱连接节点既能满足强度设计要求，同时又能避免因采用厚板或设置加劲肋而引起的层裂，建议：（1）连接构造上，要避免使焊缝收缩引起的应变集中在局部地方，就是使翼缘焊缝的收缩应变分散开的构造方法。如果高强螺栓连接腹板可使翼缘焊缝的收缩应力释放掉；在全焊接连接中，翼缘焊缝焊完后再焊腹板，可避免较