浅谈半刚性连接对钢框架稳定性影响

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1、浅谈半刚性连接对钢框架稳定性影响　　摘要：简要介绍几种典型半刚性连接方式，给出相应的弯矩—转角曲线，分析半刚性连接的受力和变形特性，总结半刚性连接对钢框架稳定性的影响因素。关键词：半刚性连接、弯矩—转角、稳定、刚度中图分类号：U260文献标识码：A在现行钢结构的分析和设计中，为了简化计算，通常将钢框架梁柱节点简化为理想铰接或完全刚接。事实上，钢框架梁柱之间的连接既非完全刚性，也非理想铰接，在荷载作用下连接通常表现出一定的柔性，因此连接就本质而言应属于半刚性。考虑设计的简单和便捷，如果荷载作用下，连接的变形可以忽略时，则把

2、连接简化为完全刚接，不会对框架的真实受力和变形带来较大的误差；同理，当连接的抗弯能力可以忽略，采用理想铰接模型则比较合理。但当连接的刚度处于完全刚接和理想铰接之间时，就应采用能够明确计入连接柔性影响的更为实际的分析方法[1]。连接的半刚性不仅改变钢框架梁-柱之间的弯矩分布，而且还会增加结构的水平位移，对结构的总体强度和稳定性造成较大的影响，因此对半刚性连接的特性需做深入的研究，以便在钢框架设计中按照实际的半刚性连接来考虑。1半刚性连接类型5见下图[2]（1）顶底角钢连接(2)双腹板顶底角钢连接(3)双/单腹板角钢连接(4

3、)短T型钢连接(5)外伸端板连接(6)平齐端板连接矮端板连接图一半刚性连接类型2半刚性连接的受力性能及特性2.1半刚性连接的受力性能以单跨梁作为分析对象分析半刚性链接的受力性能。在均布荷载q的作用下，梁两端的连接分别是刚接、铰接和半刚性连接，梁的跨度为L。按照结构力学的方法，刚接时梁端弯矩为qL2/12，跨中弯矩为qL2/24，跨中最大挠度为qL4/384EI；铰接时梁两端弯矩为0，跨中弯矩为qL2/8，跨中最大挠度为5qL4/384EI；半刚性连接时，梁两端弯矩为0＜M端＜qL2/12，跨中弯矩为qL2/24＜M中＜q

4、L2/8，最大挠度为qL4/384EI＜fmax＜5qL4/384EI；也就是梁端弯矩、跨中弯矩及最大挠度的大小取决于半刚性连接的刚度。2.2半刚性连接的特性半刚性连接M—θ曲线的特性所有半刚性连接的M—θr曲线，均处于理想刚接（竖轴）和理想铰接（水平轴）之间。5弯矩相同时，连接的柔性愈大，θr值愈大。反之，对于指定的θr值，柔性大的连接就在相邻的连接间传递的弯矩少。M—θr关系曲线在加载过程中呈现出明显的非线性特性。在M—θr曲线中切线斜率逐步减小，即连接的初始刚度Rki大于切线刚度Rkt。连接的极限弯矩承载力在较为柔

5、性的连接中降低。图二半刚性连接弯矩转角曲线一般来讲引起半刚性连接非线性特性的因素有很多，主要是由其构造所决定的。主要因素（a）连接组合的材料本身不连续，螺栓、型钢等组成连接，且它们之间存在缝隙，这就导致在不同加载阶段，各组件之间会产生滑移和错动。（b）在加载过程中由于应力分布不均比较严重，所以会引起节点组件的局部屈曲。（c）组件因承受集中应力导致应变分布不均匀。图三半刚性连接的弯矩转角特性（d）梁柱连接处腹板的的局部屈曲。（e）在外荷载影响下整体的几何变形。5对半刚性连接确定合适的连接刚度是至关重要，一般不宜采用初始连接

6、刚度作为连接的刚度值，因为初始连接刚度是连接刚度的上限。由于连接的非线性，在加载过程中连接的刚度会小于初始刚度，这样就偏于不安全。3半刚性连接对钢框架稳定性影响梁柱间连接为半刚性，则梁柱间的转角不再相同，即截面斜率不再连续，假定在梁柱间加上一个螺旋弹簧，假设该弹簧的转动刚度为，取为连接的弯矩—转角曲线与梁线的交点处的割线刚度。框架侧移失稳设柱端产生转角，柱端转角为，且，梁端转角为且螺旋弹簧的转角为且，则三者的转角关系如下(1)按照结构力学可知梁端弯矩为已知转动弹簧的弯矩与相同，弹簧的转角为，代入（1）式得因为因此因此只要

7、将梁的线刚度乘以折减系数即为考虑半刚性连接对框架有侧移失稳的影响。无侧移失稳设柱端产生转角且，梁端转角为且，螺旋弹簧的转角为，且则三者的转角关系如下（2）按照结构力学可知梁端弯矩为5转动弹簧的弯矩与相同，弹簧的转角为，代入（2）式得因为，因此为考虑半刚性连接刚度对钢框架无侧移失稳的影响。4结论设计时考虑梁柱连接的半刚性是非常有必要的，因为连接的半刚性使得梁的弯矩和挠度不像铰接和刚接那么极端。而且半刚性连接施工方便，构造简单。但是由于影响Kz的因素比较多，确定Kz就比较繁琐，需要大量的试验数据去拟合和精度较高的弯矩—转角曲

8、线，半刚性连接降低了梁柱的稳定性，设计时应予以考虑。参考文献[1]陈惠发.钢框架稳定设计.上海世界图书出版公司.2001.264~268.388~395[1]王新武.钢框架半刚性连接性能要求，武汉理工大学学报2002.11.第24期[3]童根树.钢结构设计方法.中国建筑工业出版社.2007.105~107[4]陈绍蕃