钢节点初始转动刚度计算方法研究综述

陈杰斌12

(1.华南理工大学土木与交通学院 广东 广州 510640)(2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室 广东 广州 510640)

建筑结构体系中连接节点信息是建筑结构设计的前提，只有把节点本构理清，才有进一步进行结构优化的空间，才能真正体现土木工程结构体系的高性能。因此半刚性节点概念的提出使得针对节点性能的研究更加具体化。

经过多年研究，目前，评估节点初始转动刚度的方法主要有以下2种：基于相关性研究和基于组件法的研究。

一、基于相关性研究

基于相关性原理大量学者已经对加强环式钢管混凝土柱-钢梁节点、穿心柱-钢梁节点、钢管混凝土柱-钢梁框架、钢管混凝土柱-钢混凝土组合梁节点、带加劲肋的顶底角钢节点、带加劲肋的端板连接、双腹板顶底角钢连接等进行了试验和有限元分析，并得到了相应节点的弯矩-转角(M-θ)曲线。

潘建荣[1]基于相关性的加强环式节点的公式，如式1所示。

(1)

同时还构造穿心式钢管混凝土柱-钢梁节点的弯矩-转角模型。如式2所示。

(2)

最后对外伸端板连的节点提出了考虑相关性的分析模型，如式3所示：

(3)

张云[2]通过相关性原理得到了带加劲肋的顶底角钢节点的分析模型：

(4)

龚成[3]对带加劲肋的端板连接的节点进行相关性分析并得到了弯矩-转角方程：

(5)

基于相关性的研究主要是根据数据分析出来的计算结果，其分析过程缺乏一定的物理意义。

二、基于组件法的研究

组件法是将节点拆分为多个基本组件，每个组件由线性或非线性的弹簧模拟，通过弹簧的串、并联组合计算，将各基本组件进行组装，获得节点整体的力学行为。

(一)栓板组件计算方法

1.G.N.Stamatopoulos[4]提取出T型件来计算，将其等效为半固支梁进行分析，利用结构力学的位移法对T型件拆分为几个两端固支梁分别计算其弯矩-转角，剪力-位移关系，从而再将其组合起来进行计算T型件的刚度。

2.高婧[5]，等将T型件视为梁端固支梁计算，总的思想就是利用T型件，在外力作用下拉动T型件的腹板，螺栓处以及T型件边缘处利用一定的约束条件约束，利用结构力学的计算方法计算T型件在腹板单位拉力作用下所拉开的位移，从而给出T型件的弹簧刚度。

3.郭兵[6]等对T型件进行了简化，端板外边缘处有刚性链杆提供撬力，螺栓处用弹簧支座，T型件腹板用滑动支座来模拟T型件的受力模型，运用结构力学的计算方法确定T型件端板在弯矩剪力作用下的变形，从而计算处外伸端板节点处端板的弯曲变形刚度，

4.Shi Y J[7]等对T型件也进行了一定的研究，其假定端板连接处模型为螺栓连接处使用弹簧支座，端板外端使用刚性两岸支座，从而利用梁理论求T型件的刚度KT。

5.施刚[8]等假设螺栓与梁翼缘、端板、腹板的垂线为端板的一固定边来研究端板的变形，将板分成两个两边固接的板，再按照梁的变形理论计算每个板的变形刚度，最终再将两个刚度按一定原则叠加，从而推导出端板变形的弹簧刚度。

(二)受剪组件计算方法

通过前人的大量研究发现，节点各个组件中，柱子腹板、外伸加劲肋等受剪组件的剪切变形对节点的转动性能有着较大的影响，因此为了能更好的理清节点的性能，许多学者对受剪组件也建立了许多分析计算模型。

许多学者柱腹板的剪切变形[5,8]，可将其假定为一个受剪力作用的短柱来考虑，则柱腹板在剪力作用下的剪切变形如下式(6)所示，式中各参数意义参加文献[5]。

δcw,v=Vzcw,v/(GAv,cw)

(6)

同时，由于柱腹板的剪切变形较小，因此也有学者利用数据统计的方法，对柱腹板的剪切变形进行计算[6]如下式(7)所示，式子各参数定义见文献[6]。

δcf+δcwv+δcwc=0.2(δcp+δb)

(7)

(三)螺栓力分析

对于端板连接节点上的螺栓力的分布，国内外也有不少学者进行了一定量的研究，比较有代表性的有国外的Bai R[9]等人，国内的有，刘秀丽[10]等人进行了一系列的研究。

学者们经过试验研究以及数值模拟分析研究发现，T型连接件翼缘板厚度、螺栓直径以及螺栓中心至腹板边缘的距离对T型连接节点的力学性能均有显著影响，而改变螺栓平面构造参数对节点力学性能影响较小[23]。

(a)端板较薄

(b)端板较厚

三、不足

1.将端板与翼缘等价为T型件的计算方法，没有考虑梁腹板对端板变形的约束，对于有外伸加劲肋的节点，等价为十字型件时将加劲肋的平面内刚度假设为无限大，从而忽略了其面内剪切变形对节点半刚性的影响。

2.目前各种研究中对于各个组件之间的相关性缺乏考虑，组件之间是互相影响而非独立存在的，因此在弹簧组合时还应当考虑相关性对节点半刚性的影响。

四、结语

钢结构中梁柱连接节点的初始转动刚度对建筑结构体影响较大，在过去几十年的时间里，经过大量的学者研究得到了许多计算模型，对钢结构设计有较大的指导意义。