端板节点刚度对门式刚架建筑可靠性鉴定的影响★

晁鹏飞

(福建省永正工程质量检测有限公司，福建 福州 350012)

1 概述

门式刚架为一种传统的结构体系，该类结构的上部主构架包括等截面或变截面的焊接H型钢刚架斜梁、刚架柱和抗风柱，冷弯薄壁型钢支撑、檩条、系杆、墙梁等，以压型钢板作为屋面板及围护结构，以张紧的圆钢、钢索或型钢为支撑。门式刚架主要构件一般在工厂预制，在现场采用螺栓或焊接进行拼接，门式刚架具有施工周期短，且便于工厂化生产，在结构受力特点上，门式刚架具有自重轻、传力路径明晰的优点，因此该体系广泛应用于需要大跨度空间的厂房、商业或娱乐场馆等工业与民用建筑。但需要注意的是，门式刚架除具有钢结构建筑均有的易锈蚀、防火隔热性差等缺点外，其节点连接的螺栓或焊接质量极大的影响门式刚架整体结构的可靠性。

既有门式刚架建筑由于改造、产权办理、使用用途改变或老化维修加固等原因，均应先进行建筑可靠性鉴定，门式刚架的梁柱节点、梁梁节点和柱脚节点等将整体结构连接成承载整体，节点构造及其承载力刚架结构可靠性是鉴定过程中的重要检测复核项目，在刚架整体承载力复核计算时，通常按传统设计理念假定刚架端板节点特别是梁柱节点为全刚性或铰接。

2 端板节点刚度对刚架的影响

端板连接是门式刚架建筑梁柱节点的主要连接形式，端板连接节点主要由端板、高强螺栓和加劲肋组成，目前，传统的钢结构分析和设计方法往往将梁柱连接节点假定成完全刚接或理想铰接[1]，如图1所示，端板节点连接通常有两种形式：外伸式和平齐式。对于外伸式刚架节点，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》[2]中将其视为完全刚性，并在设计时通过端板外伸和加劲肋来提高节点的刚度，以满足全刚性节点的假定，全刚性假定大大简化了结构分析和设计过程，全刚性假定适用于端板刚度无限大，螺栓处于弹性工作状态且接触面保持紧密贴合的情况，但实际情况下往往没有如此理想化，现实施工和建筑养护技术难以达成并保持完全刚性或完全铰接的节点连接状态。

在既有钢结构建筑可靠性鉴定中，在整体承载过程中由于各个构件的相互作用必然产生相对位移，特别是既有建筑经过长期静力或动力荷载作用，端板和螺栓发生变形，且钢材会发生应力松弛和徐变，导致节点的刚度随时间弱化，全刚性假定就更加不适用了，把门式刚架梁柱连接的端板节点性能视为半刚性才更加符合实际情况[3]。我国规范目前尚未给出半刚性连接的设计方法，《钢结构设计标准》指出[4]，梁柱采用半刚性连接时，应计入梁柱交角变化的影响，在内力分析时，应假定连接的弯矩-转角曲线，即M-θ曲线，并保证节点的构造与假定的M-θ曲线符合，以便准确考虑连接变形的影响。该条文原则性的规定了钢框架分析和设计中何以考虑半刚性连接对框架内力的影响，如图2所示。

节点刚度取值的准确性必然影响门式刚架的整体受力情况，随着节点转动刚度减小，节点内力减小，内力向周边构件转移，在可靠性鉴定过程中，按照规程全刚性假定对构件、节点进行承载能力验算，将高估由梁传到柱的负弯矩而低估梁的跨中正弯矩，且刚架结构跨中变形将被低估，构件的安全性将可能被误判。

端板连接节点的弯矩-转角(M-θ)模型的计算式，根据弹塑性应力-应变模型，Colson，Louveau和CHEN等学者均得到三参数的(M-θ)模型[5-6]，本文采用Colson模型：

(1)

其中，R为节点连接初始刚度；Mu为节点极限弯矩承载力；n为M-θ曲线的形状参数，一般情况下，既有建筑多在线弹性阶段工作，可以假定M-θ为线性关系：

M=Rθ

(2)

3 考虑端板节点的转动刚度的可靠性鉴定

已有的端板节点设计方法均作了较大程度的简化，其计算结果与结构的实际受力状态有较大差异。近年来有限元方法越来越多地运用到钢结构连接节点的计算分析中来。已有的有限元分析，一部分是通过有限元方法有效地分析了试验中很难测量的节点细部受力状态，包括接触问题、撬力等；大部分则倾向于通过大量计算进行参数分析，回归分析形成设计公式[7]，在可靠性鉴定过程中，采取考虑节点刚度的计算方法可以更为精确的对整体结构的安全性进行判定，见图3。

端板连接由于自身构造特点，具体的构造形式种类繁多，可变的几何参数也很多。而且端板连接是由多个较小的连接组件构成，各组件之间存在复杂的受力关系，特别是接触问题，再加之螺栓预拉力等，这些都使端板连接的受力特性成为非常复杂的问题。为了将复杂问题简单化，最常用的是将端板连接分解为T形连接件的分析方法(见图4)，并同时运用屈服线理论进行分析。我国相关技术规程中的端板设计公式也是根据屈服线理论分析得到。

通常情况下，焊接的刚性梁柱节点的转动刚度为6×105kN·m/rad，而端板高强螺栓梁柱节点转动刚度为(2～10)×104kN·m/rad，约为焊接连接的1/8～1/40，即端板连接具有一定的柔性。考虑节点的转动刚度，节点在荷载作用下发生转角位移，则门式刚架解耦的实际挠度和侧向位移可能较设计值偏大。因此建议节点的初始转动刚度根据其构造可采用欧洲规范[8-9](Eurocode 3)或有限元建模计算。

工业建筑可靠性鉴定按构件、结构系统、鉴定单元三个层次进行；其中结构系统和构件两个层次的鉴定评级包括安全性等级和使用性等级评定，安全性评定分为四个等级，正常使用性评定分为三个等级，各层次的可靠性分四个等级；以南平市某单层钢结构厂房为例，该工程于2010年3月建成，设计采用预应力高强混凝土管桩基础，现场检查建筑物基础周边地面未见明显沉陷。所检钢柱、钢梁等构件未见明显变形，所检刚架节点未见明显松动、变形，所检屋盖横向支撑、柱间支撑基本张紧，所检刚性系杆未见明显的变形与挠曲。钢柱、钢梁、梁柱端头板、加劲肋材质取Q345，柱间支撑、屋面支撑、拉条、屋面檩条、屋面隅撑、墙面隅撑、墙面檩条材质均取Q235，节点高强螺栓性能等级10.9级，结合面采用喷砂处理法，摩擦面抗滑移系数μ=0.45。进入使用，所检焊缝均匀光滑，外观质量符合三级焊缝外观质量标准，刚架如图5所示。

由于拱形效应，跨中梁节点刚度对承载能力影响不大，假定梁节点为全刚性节点，以跨中内力和变形为对比指标，根据现场实测结果对刚架施加恒载及设计活载，当梁柱节点为刚性连接时，以及根据有限元计算考虑端板节点的转动刚度时，分别对门式刚架进行承载能力复核计算，如表1所示，考虑端板节点后转动刚度跨中最大弯矩较传统设计计算结果增加12.9%，左檐口最大弯矩减小10.7%，右檐口最大弯矩减小12.6%，跨中最大挠度较全刚性假设时增加15.4%，因此在可靠性鉴定时，考虑端板节点的实际刚度，会影响整体刚架的承载能力验算结果，根据规范的全刚性节点假定设计的门式刚架跨中截面是偏不安全的，而梁柱截面的尺寸安全储备更多，因此在可靠性鉴定时，复核既有工业建筑构件承载能力时，根据承载力与荷载效应比值R/(γ0·s)判定构件等级时，当R/(γ0·s)≥0.95时，重要构件为b级或a级，为安全性等级，因此当R/(γ0·s)在临界值0.95左右时，考虑端板节点刚度与否将对重要钢构件的鉴定评级产生决定性影响[10]。

表1 门式刚架可靠性鉴定结果

4 结论

1)高强螺栓端板连接的转动刚度取值对门式刚架的整体承载力有较大影响，刚架结构可靠性鉴定时应考虑节点的半刚性特点。2)在实际工程的可靠性鉴定计算过程中，如果仍然依据设计流程按照完全刚性对门式刚架结构进行可靠性鉴定验算，仅仅是设计过程的复盘，将造成鉴定结果与实际相差较大，因此在鉴定过程中宜准确判断节点的刚度，并同时调整计算方法。3)门式刚架既有建筑可靠性鉴定过程中，考虑梁柱节点的实际转动刚度，其承载力验算结果表明，跨中弯矩增大，檐口处弯矩减小，跨中挠度增加，因此如果按传统计算方式将造成跨中鉴定过偏不安全，而檐口处的构件验算偏保守。