巨型框架结构梁柱节点弯矩与转角关系研究

白　松　尹新生

(吉林建筑大学土木工程学院,长春　130118)



巨型框架结构梁柱节点弯矩与转角关系研究

白松尹新生

(吉林建筑大学土木工程学院,长春130118)

摘要：近年来,随着我国建筑结构的飞速发展,巨型框架结构建筑体系已经成为各大建筑院校所关注的焦点,但我国对巨型结构体系的研究还非常少,因此,发展和完善巨型框架结构体系的设计理念十分必要且具有重要价值.本文通过介绍巨型框架结构体系在国内外的应用及发展概况,同时，基于国内外的相关理论总结出梁柱连接组合节点弯矩和转角的关系,并且绘制出弯矩和转角关系的曲线.

关键词：巨型框架结构体系；梁柱节点；弯矩与转角关系

0引言

随着中国经济工商业的发展,城市化进程的加快,以及社会生产力的提高,人口越来越密集,这时候就需要来解决日益紧张的住房问题,但由于建筑涉及到的高度增加,势必会影响风荷载的增大,普通的楼房建筑涉及到环保、节能等条件时,显然已经不适合.这时候就有了适应能力强、刚度性强、整体拥有良好抗震性的巨型框架结构成为建筑发展的新趋势.巨型框架结构作为建筑行业的新兴体系,因其自身的特点,已经被国内外的建筑行业所关注,并在诸多工程中应用,具有非常好的发展前景.

1巨型框架结构

1.1　巨型结构体系

巨型结构建筑也称主次结构建筑,主体结构是由柱间距较大的立体巨柱(巨型柱)及较大的巨梁(巨型梁)构成,一般梁柱处在建筑的周边,巨型柱一般由楼、电梯井、大面积实体柱组成,巨型梁一般10层或者15层架设一道,在两大层空间之间设置次结构,也就是普通的框架结构.

1.1.1巨型结构的分类

巨型结构的建筑根据受力形式不同分为:巨型框架结构、巨型桁架结构和巨型悬挂结构3种基本类型.

若按建筑材料可分为:巨型混凝土结构、巨型钢骨钢筋混凝土结构、巨型钢—混凝土混合结构和巨型钢结构.

1.1.2巨型结构的特点

巨型结构体系具有其本身的特殊性及结构的可变性,所以巨型结构体系在目前可以被充分利用,符合当今建筑的发展更新需求,其特点如下:

(1) 可以使整体建筑内部有多样化的功能.现代化的建筑有时需要各种各样的活动空间,但建筑的功能往往与正常的结构布局相互矛盾,巨型结构的建筑解决了这一矛盾,可以使巨型建筑具有多样化的功能.由于次框架的小柱不再是主要的受力构件,所以两大层之间次框架中的小柱结构竖向布局可以不连续,要想增大活动空间,可在横向大梁处少设小柱,从而设置购物中心、游乐场、电影院等这种需要大空间的公共设施场所;

(2) 结构和材料方面可以多样化组合.由于巨型结构具有两种结构即主次结构,所以它可以使主结构和次结构使用不同的材料和不同的结构形式.巨型结构的主结构如果使用了高强度的材料,就可以采用普通强度的材料去做次结构.结构方面也一样,主结构采用框架结构的时候,次框架就可以采用悬挂结构;

(3) 能够节省材料、造价低.造价低、节省材料这两方面可以从巨型结构的建筑里体现出来,虽然说整体的梁柱的截面积大,次框架却只承受几层的竖向荷载,所以,其截面尺寸比大多数同等高度尺寸的其它普通类型建筑小,因此节省材料,降低造价;

(4) 可以缩短施工工期.巨型结构施工时,主结构可以优先施工,施工完成后,次结构施工时可以多项施工同时进行,这样既可加快施工速度,又可缩短工期.

所以巨型结构不但可以使建筑功能多样化,还可以在保证建筑整体的刚度的前提下减少材料和造价,为现代化建筑发展打下基础.

1.1.3巨型框架结构受力传导方式

在巨型框架结构中,主框架所承受的是主要荷载,普通框架则承担次框架内楼面荷载,通过次框架把受到的力传递给巨型柱和巨型梁,当然传力路径不是简单的梁柱路径,竖向受到的荷载会传递给主框架的巨型梁,最后把竖向受到的力通过主框架传给地基.侧向受力是主框架主要承受的,原因是主框架远远的大于次框架.

1.1.4巨型框架结构各构件的连接方式

巨型框架结构各构件连接方式都应是刚接,靠整体的混凝土浇筑和正确的钢筋锚固完成.混凝土框架柱和框架梁的连接一定要符合抗震设计的构造锚固,至于其它位置构件的连接钢筋可以按照非抗震设计的构造锚固[1].

1.1.5巨型框架结构在国内外的发展

在我国应用巨型结构的建筑还不是很多,只有一些发展快的城市才有,混凝土巨型框架结构更是少之又少,虽然对于我国的发展现状来讲,巨型结构建筑还不会普及到各个地区,但不久的将来一定会成为我国主流的建筑.现如今我国已建成的巨型框架结构建筑均为钢筋混凝土结构.巨型框架结构主框架的大梁横跨度很大,承受的各向荷载又很大,因为控制巨型梁的变形可节约材料,所以通常会对其施加一些预应力.

对于国外的巨型结构建筑而言,很多发达国家已建设了好多巨型结构的标志性建筑物,而且非常实用,经济发展也有了很大的提升,为许多国家做好了先例.

1.2　巨型结构建筑举例

表1列举了国内外的巨型结构建筑.

表1 国内外的巨型结构建筑

2巨型结构的设计原则

(1) 巨型结构的竖向荷载都会传递给整个建筑的边柱,由四周的边柱来承担竖向的荷载力,并且用以平衡侧向的荷载对边柱向上的力;

(2) 巨型结构中所有的巨型柱、巨型梁和所有的巨型支撑构件承担着竖向荷载的同时,也承受着侧向的荷载;

(3) 巨型结构的结构主框架和次框架层次分明,并且可以分段施工,所以主次结构可以变通的处理;

(4) 巨型结构的结构平面布置在材料相同的情况下,需要满足两个主轴方向的等效惯性矩最大原则.

3巨型结构的主次框架

3.1　主次框架的连接方式

随着生产力的提高和科学技术的发展,钢结构和混凝土结构得到了广泛的应用,各个地域的巨型框架结构都拔地而起,甚至出现了混合巨型框架结构形式,即主框架为钢筋混凝土结构,次框架采用钢结构,这样可减轻结构的自重,提高结构空间的利用率.

钢结构次框架与钢筋混凝土主框架分别采用刚接、半刚接、铰接3种连接方式：

刚接是指构件与构件之间是一个整体,建筑受到破坏后,巨型梁和巨型柱之间的夹角为0,受到的内力会从柱传递给巨型梁,刚性连接一般应不会产生明显的连接夹角变形;

铰接体现整体结构受力后,巨型梁和巨型柱之间可自由转动,没有其它约束力,各个节点之间相互独立,巨型梁不能将弯矩传递到柱上；

半刚性连接则是处在刚接和铰接之间的一种连接方式,是现在很多钢筋混凝土结构和钢结构混合的连接方法,即主框架为混凝土结构,次框架为钢结构时,此类方法只具有有限的转动角度和刚度,可以承受弯矩,并且连接所受的弯矩和连接转动的刚度决定着连接的各个构件之间的角度.

3.2　节点处刚接、半刚接、铰接3种连接方式中弯矩与转角的关系

美国AISC1978年规范,根据梁端的连接方式将连接分为3类：刚性连接、半刚性连接、简支连接.欧洲规范考虑了EC3连接与梁的塑性弯矩和转角的相对关系，以及钢框架中是否设置支撑是决定节点成为刚性节点、半刚性节点和柔性节点重要因素.我国规范只规定了刚接和铰接[2],但实际并不存在完全的刚接和铰接,这也是我国规范的一个盲点.

很多因素与半刚性连接的转动刚度有关,譬如节点连接的形式、巨型梁和巨型柱的尺寸等,其本身弯矩与转角的关系为非线性,论证了它的复杂性的连接.从上世纪60年代起,世界各地的学者尝试采用各种方法对不同的半刚性连接做了大量的研究,并且就分类界限做了较为鲜明的规定.现在人们常用的分类系统总结如下:Bjorhovde等人提出的分类系统、EC3分类系统,Wai-Fah Chen等人提出的分类系统[3-5].

图1 M-θ关系的曲线

上述几种分类系统并没有考虑柱与梁的刚度比,而且节点的刚度呈阶梯形式分布,在半刚性区节点刚度的突变处节点的转角产生了细微的变化,使该建筑的柱子有效高度有了很多的变化.下面的方法解决了线性方法的缺陷[6].

式中,r0为连接初始刚度;θ0为相对塑性转角;Mu为节点承受的极限弯矩;n为考虑M-θ关系的曲率参数.

根据上述公式关系不难看出M-θ的关系，利用其关系绘制出M-θ关系的曲线，如图1所示.

根据图1得出,转角的改变使得弯矩也发生了改变.转角越大,其节点承受的弯矩越小,越偏向于铰接连接；转角越小,其节点承受的极限弯矩越大，越偏向于刚性连接.

4结语

巨型框架结构是一种新型的建筑结构,拥有很多的发展前景,本文阐述了巨型结构体系的分类、特点、整体结构的受力传导和主次框架的连接方式,以及该种建筑的国内外发展情况和应用实例,同时，根据国内外的规范总结了梁柱节点处刚接、半刚接、铰接3种连接方式的弯矩和转角的关系.由此可以预测，巨型框架结构是建筑行业的发展趋势,经过合理的设计势必可以得到经济合理、性能优良的收获,其前景是无法估量的,而且现在高层和超高层建筑都需要满足侧向力的要求,巨型框架结构建筑更容易满足这一条件,在普通建筑上有了新的突破,为未来城市的新型建筑打下坚实的基础.

参考文献

[1] 秦卫红,惠卓,吕志涛.巨型框架结构的设计方法初探[J].建筑结构,2001,31(7):43-47.

[2] 建筑抗震设计规范(GB5001-2001)[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[3] 廖超.钢筋混凝土巨型框架结构受力性能分析[D].湖南长沙:湖南大学,2006.

[4] Bjorhovde,Colson R,Brozzetti A.Classification System for Beam-to-Column Connections[J],Journal of Structural Engineering,1990,116(11):76-79.

[5] 俞伟根.预应力混凝土框架抗震性能及抗震设计方法的研究[D].南京:东南大学,1995.

[6] 左振波,左振明,左春仁.高层建筑巨型框架结构应用及其受力特征[J].大连大学学报,2003,24(2):35-37.

Analysis the Mega-frame Structures of Beam-column Connection is Discussed with Regard the Bending Moment and the Rotation Relationship

BAI Song，YIN Xin-sheng

(SchoolofCivilEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun,China130118)

Abstract：In recent years,along with the continuously rapid development of building structure,mega-frame structures has become a major construction of colleges and universities is becoming more and more attention in hot spots,however, the research on the seismic of the mega-frame structures in our country is very small,so it is very important to development and improvement of the design theory of mega-frame structure has the value.By introducing applications of mega-frame structures and development at domestic and foreign,based on professional theories summed up the relationship between moment and rotation of beam-column connections node.Drawing the relationship between moment and rotation curves.

Keywords:mega-frame structures；beam-column connection；moment-rotation relation

中图分类号：TU 318

文献标志码：A

文章编号：2095-8919(2015)02-0017-04

作者简介：白松(1988～),男,吉林省长春市人,在读硕士研究生.

收稿日期：2014-10-24.