钢结构端板连接抗震设计方法

论文 钢结构 抗震 节点 粘滞阻尼器

23卷3期2007年9月

世　界　地　震　工　程

WORLDEARTHQUAKEENGINEERING

Vol.23,No.3

Sep.,2007

文章编号:100726069(2007)0320086206

钢结构端板连接抗震设计方法

石永久　施　刚　王元清　李少甫

(清华大学土木工程系,清华大学结构工程与振动教育部重点实验室,北京100084)

摘要:系统地总结了国内外钢结构端板连接研究成果以及相关设计规范的规定,提出了钢结构端板连接抗震设计具体方法,主要包括:节点标准构造、抗震承载力验算、极限承载力验算、延性设计,为我国钢结构抗震设计规范的相关内容提供了有益补充建议。关键词:钢结构;端板连接;抗震设计中图分类号:TU391　　　文献标识码:A

Seismicdesionsofsteelstructures

SHIYong2jiu　SHIGang　WANGYuan2qing　LIShao2fu

(DepartmentofCivilEngineering,KeyLaboratoryofStructuralEngineeringandVibrationofChina

EducationMinistry,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract:Basedonthesystematicsummaryofthedomesticandoverseasresearchachievementsontheend2plateconnectionsandthespecificationsoftherelevantdesigncodesforthesteelstructures,acompleteseismicdesignmethodoftheend2plateconnectionshasbeenproposedinthispaper.Thismethodincludessuggestionsofconnec2tiondetails,seismicloadingcapacitycalculation,ultimateloadingcapacitycalculationandductilitydesignforthesteelend2plateconnections.Theproposedmethodprovidesabeneficialsupplementtothecurrentseismicdesigncodeonthesteelstructures.

Keywords:steelstructure;end2plateconnection;seismicdesign

1　前言

钢结构中的端板连接是利用构件端部焊接端板与另一构件的端板或柱翼缘连接的节点形式,通常有外伸式和平齐式两种类型。端板连接节点的所有焊接工作均在工厂完成,焊接质量有较高保证;现场采用高强度螺栓连接,施工方便,速度快,施工质量容易得到保证。随着多层钢框架和门式刚架轻型房屋钢结构在我国的应用越来越多,端板连接也逐渐经常采用。

已有研究表明,两端外伸式端板连接在循环荷载作用下具有良好的延性和耗能能力,可用于多层抗震钢[1～7]

框架中。虽然端板连接在欧洲应用很多,但是地震作用对欧洲的结构设计影响较小。目前世界各国规范中均尚未有系统的钢结构端板连接抗震设计方法。

本文在对钢结构端板连接系统研究的基础上,结合国内外相关研究成果,特别是循环荷载试验结果,

[9,10]

并参考国内外规范的建议,提出了钢结构端板连接的实用抗震设计方法,以满足我国实际工程应用要求。

收稿日期:2007-02-15;　修订日期:2007-06-13　　基金项目:教育部优秀青年教师资助计划项目

作者简介:石永久(1962-),男,教授,主要从事钢结构分析设计理论与工程应用研究.

[8]

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3期石永久等:钢结构端板连接抗震设计方法

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(GB50017-2003)我国与钢结构梁柱连接节点和端板连接相关的规范规程主要有《钢结构设计规范》

(以下简称“)[11]、(GB50011-2001)(以下简称“)[12]、钢结构规范”《建筑抗震设计规范》抗震规范”《高层

(JGJ99-98)(以下简称“)[13]、民用建筑钢结构技术规程》高钢规程”《钢结构高强度螺栓连接的设计、施工

(JGJ82-91)(以下简称“)[14],《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:及验收规程》高强规程”)[15]。2002)(以下简称“轻钢规程”

2　端板连接节点构造

针对我国常用的多层抗震钢框架结构,梁柱端板连接建议采用两端外伸式。

2.1　螺栓2.1.1　螺栓布置

根据文献[16]、[17]与[18]的试验结果,对于端板外伸部分设置4个螺栓的端板连接,其受拉区螺栓受力非常不均匀,且耗能能力比常用形式端板连接小很多。。

对于螺栓布置,,7.2.4、7.2.6、7.2.7条以及“钢结构规范”和“高强规程”对螺栓边距、,:

(a)螺栓对称布置;应优先采用2,;1排螺栓;根据实际需要,;。

(b),达到构造和施工要求即可。

(c)当由于两对螺栓间距离过大而需要在端板中部增设一对螺栓时,这一对螺栓可不进行受力计算,仅作为构造要求,在安装时,可以最先施工这两个螺栓。由于这两个螺栓位于节点中部,先施工有利于固定构件、缩小接触面缝隙,保证受力螺栓的施工质量。2.1.2　螺栓选取

宜采用高强度螺栓摩擦型连接,直径通常为20～30mm,优先选择常用的M20和M24两种螺栓。2.2　端板

端板外伸长度:不宜过大,只需满足螺栓布置的端距要求即可,以避免撬力对螺栓影响过大。端板宽度:通常情况下,当梁翼缘宽度能够满足螺栓布置的边距要求时,端板宽度宜等于梁宽;当确实需要增大端板宽度且螺栓布置靠近端板侧边缘时,目前尚无关于螺栓位置的规定,本文建议螺栓孔边缘不应超出梁翼缘宽度范围,否则,应在梁端适当增大梁翼缘宽度,以保证螺栓的受力。

端板厚度:端板厚度的增加能够提高节点初始转动刚度和承载力;如果端板厚度太小,则节点刚度和承

[7,8]

载力均过小,且从试验结果来看,过薄的端板其弯曲变形很大,容易导致焊缝开裂,结合“轻钢规程”关于端板厚度不小于16mm的规定,本文建议端板厚度范围应为16mm～30mm。此外,端板厚度应满足下文中的抗震承载力和极限承载力验算的要求。2.3　节点域2.3.1　柱腹板

“钢结构规范”第7.4.2条和“抗震规范”第8.2.53条均根据节点域稳定性需要提出了节点域柱腹板厚度的要求:

twΕ(hb+hc)/90

(1)

[19]

2.3.2　柱翼缘

由于柱翼缘厚度通常均比端板厚度小很多,这会大大降低端板连接的承载力和节点刚度,根据相关研究[7,8]

成果,本文建议柱翼缘在端板外伸边缘上下各100mm范围内局部加厚,厚度与端板厚度相同;且加厚的柱翼缘与原厚度柱翼缘之间应采用全熔透坡口焊缝连接;当端板连接为中柱节点时,节点域两侧的柱翼缘均应局部加厚。2.4　加劲肋2.4.1　端板加劲肋

端板两侧外伸部分均应设置加劲肋,位置与梁腹板相对应,厚度至少与梁腹板相同,为防止加劲肋过早

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[7]

发生受压屈曲,其厚度可以比梁腹板大2mm;宜优先选用三角形加劲肋。

2.4.2　节点域柱腹板加劲肋

应在对应梁翼缘的位置设置节点域柱腹板加劲肋,厚度不小于梁翼缘厚度,宽度至少达到梁翼缘边缘,宜达到柱翼缘边缘。2.5　焊缝结合“轻钢规程”第7.2.11条的规定,本文提出,梁翼缘与端板的连接应采用全熔透坡口焊缝,腹板与端板的连接可采用与腹板等强的角焊缝。2.6　其他

对端板及相应柱翼缘的加工弯曲变形应进行严格控制,以减小端板和柱翼缘之间的缝隙,可以参考《钢

(GB50205-2001)[20]的相关规定,必要时可以要求更加严格的控制措施。结构工程施工质量验收规范》

高强度螺栓孔的加工制作、摩擦面的处理应符合“高强规程”的规定,螺栓应采用沿对角线从螺栓群中

[21]

央向外的顺序施拧。

3　抗震承载力验算

,还应满足下述的抗震设计要求。3.1　“抗震规范”第8.2.5条的式(8.2.5-2)和(8.2.5-6)进行验算:

ψ(Mpb1+Mpb2)/VpΦ(4/3)fv(2)

Mb1+Mb2

Vp

Φ

fv3γRE

(3)

3.2　螺栓

建议螺栓的承载力抗震调整系数取0.9,结合“钢结构规范”第7.2.2、7.2.3条的规定,要求在地震作用下:

单个高强度螺栓的抗剪承载力设计值取N单个高强度螺栓的抗拉承载力设计值取N

b

vE

=NNb

b

γRE

0.9nμp

=nfμp

0.9=0.9p0.9

(4)(5)

btE

γRE

NNtE

b

当高强度螺栓摩擦型连接同时承受摩擦面间的剪力和螺栓杆轴方向的外拉力时,其中单个螺栓的承载力根据“钢结构规范”第7.2.2条应满足下式:3.3　端板和节点域柱翼缘

NB

bvE

Φ1(6)

对于端板和柱翼缘,建议其承载力抗震调整系数取0.85。参考“轻钢规程”的端板板段静力承载力设计公式,地震作用下,端板和节点域柱翼缘承载力验算应满足下式:

Ⅰ.伸臂类端板tΕ

6efNt

γepf/RE

3eN(0.5a+ew)f/γRE

(7)(8)

Ⅱ.无加劲肋类端板tΕⅢ.两边支承类端板当端板外伸时tΕ当端板平齐时tΕ

6eeNγewbep+2ef(ef+ew)]f/RE12efewNt

γewbep+4ef(ef+ew)]f/RE

6eeN(9)(10)(11)

Ⅳ.三边支承类端板tΕ

γew(bep+2bs)+4ef]f/RE

2

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3期石永久等:钢结构端板连接抗震设计方法

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式中各项含义同“轻钢规程”第7.2.9条。当柱翼缘厚度与端板相同时,均只需要验算端板即可。3.4　构件腹板

地震作用下,构件腹板(包括梁柱腹板)仍应根据“轻钢规程”第7.2.11条验算局部承载力,只需将公式右边的钢材强度设计值除以承载力抗震调整系数γ.9。RE,建议γRE取0

4　极限承载力验算

4.1　焊缝

端板连接中端板和构件翼缘之间的焊缝应满足“抗震规范”第8.2.8条公式(8.2.8-1)的要求;端板和构件腹板之间的焊缝,应满足“抗震规范”第8.2.8条公式(8.2.8-2)的要求。4.2　螺栓抗拉

结合“抗震规范”第8.2.8条对连接材料极限承载力的要求,即公式(8.2.8-1)MuΕ1.2Mp,本文提出梁翼缘两侧螺栓的极限抗拉承载力也应满足此式要求,并不小于乘以1.2载力[7],即:

ntNtuy

bb

b

b

b

b

b

(12)

式中:nt;tu,Ntu=Aefu,Ae为螺栓有效截面积,fu;Q是考虑撬力作用的调整系数,根据文献[7]的建议,取112;Abf4.3　螺栓抗剪

结合“抗震规范”第8.2.8条,为了保证端板接头中螺栓极限抗剪承载力比梁端剪力和梁腹板极限抗剪承载力大,要求满足:

VuΕ1.3(2Mp/Ln);且VuΕ0.58hbwtbwfy

b

b

b

(13a)

其中,Vu是端板接头中螺栓群极限抗剪承载力,计算时,不考虑梁受拉翼缘两侧的螺栓抗剪。需要同时计算螺栓和端板、柱翼缘的承压承载力,取较小值,用下式计算:

Nvu=0.58nfAefu;Ncu=d

b

bb

b

∑tf

b

cu

;Vu=nN;N

bbb

=min{Nvu,Ncu}

bb

(13b)

式中n表示梁受拉翼缘两侧螺栓之外的螺栓总数,各参数符号含意同“抗震规范”第8.2.8条。(13)式保证端板连接承受剪力时,接头中的螺栓、端板、柱翼缘应不发生承压破坏。

此处实际运用的计算模型符合文献[19]提出的“梁端剪力可由梁受拉翼缘两侧螺栓之外的螺栓承担”。

5　延性设计

当端板连接满足前述各式后,将满足抗震承载力和极限承载力设计要求,但需要进一步控制端板连接的最终破坏模式具有延性特征,保证节点具有足够的变形能力和极限转动能力、良好的耗能能力。根据试验结果分析,对端板连接的破坏模式提出以下三项设计要求。5.1　端板和节点域柱翼缘破坏

对于符合本文构造要求的端板连接,均设置了节点域柱腹板加劲肋和端板加劲肋,螺栓附近的端板和柱翼缘受到周边板件(包括加劲肋、梁柱腹板、梁翼缘等)较强的约束作用,容易在螺栓孔周围发生冲剪破坏。在地震作用下,应保证端板和柱翼缘的破坏形式是弯曲破坏,而不是冲剪破坏,即要求端板和柱翼缘的抗弯承载力小于冲剪承载力,从而先发生弯曲破坏,所以要求满足下式:

Nut=

beptfy

2

4ef

+

(ef+ew)tfy

2

2ew

πdtfvyΦNv=η

(14)

式中:Nut是端板或柱翼缘的塑性弯曲承载力,根据文献[22]的式(3a)计算;Nv是端板或柱翼缘在螺栓附近的冲剪承载力;fy、fvy分别是端板或柱翼缘钢材的屈服强度标准值、抗剪强度标准值,fvy=fy/3;t是端板或柱翼缘的厚度;d是螺栓直径;η是螺栓头或螺母与垫圈紧密接触面积的外径与螺栓公称直径的比值,根据我国现行规范的规定,η的平均值约为1.7;由于柱翼缘宽度不小于端板,所以不管是验算端板还是柱翼缘,此

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处均取端板宽度进行承载力计算。

在大多数情况下,式(14)均较容易满足。5.2　节点域先于螺栓和端板发生屈服

根据欧洲规范

[23]

,当节点的承载力由节点域柱腹板受剪承载力控制时,可以认为节点具有足够的变形

[8,24,25]

能力;而且从相关研究结果也可以得到,节点域屈服后具有良好的延性和耗能能力载力设计值Ms取

Mep,bΕMs

。所以,本文建议,

端板连接的承载力宜由节点域承载力控制,即端板和螺栓所对应的抗弯承载力设计值Mep,b和节点域抗弯承

(15)

式中:Mep,bmNt1∑yi

y1

2

;MsfvVp=fvhbwhcwtcw= hbwhcwtcw;Nt1是第一排螺栓处螺栓和端板板段3333

b

的承载力设计值,Nt1=min{Nep,Nt}。

Nep是第一排螺栓处端板板段的承载力设计值,根据文献[15]计算如下:Nep=

Nt是单个螺栓的抗拉承载力设计值

b

[11]

beptepf

2

ef

+

(ef+ew)tepf

2

3ew

。

:Nt=0.8p。

b

当节点为中柱节点时,Mep,b。

当端板连接满足式(15),、良好的耗能能力。5.3　端板(,、中等厚度端板(或柱翼缘),以提高节点抗震性能。,具有明显的脆性特征;而端板(或柱翼缘)受弯屈服后具有很大的塑性变形能力,所以,采用大直径螺栓、中等厚度端板(或柱翼缘)能够保证节点破坏模式是端板受弯屈服,以保证节点的延性,提高节点的耗能能力和抗震性能。

根据欧洲规范能力。

所以,本文提出,节点延性设计时,端板极限承载力Nut不大于螺栓的极限抗拉承载力Ntu,即:

NtuΕNut

b

b

[23]

,当节点的承载力由端板或柱翼缘受弯承载力控制时,可以认为节点具有足够的变形

(16)

Ntu和Nut分别根据式(12)和式(14)计算。

b

6　结论和建议

本文系统地总结了国内外钢结构端板连接研究成果以及相关设计规范的规定,提出了钢结构端板连接的抗震设计方法,包括节点标准构造、抗震承载力计算、极限承载力计算、延性设计。该方法能够保证端板连接在地震作用下具有足够的承载力和良好的延性和耗能能力,从而满足结构的抗震设计要求。该方法为我国钢结构抗震设计规范的相关内容提供了有益补充。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1blm.html