T型钢梁柱节点标准化力-变形曲线

由天下分享时间：2025/3/21 1:59:13 加入收藏我要投稿点赞

T型钢梁柱节点标准化力-变形曲线*

摘要：基于性能的抗震设计思想越来越多地运用于工程设计尤其是超限高层建筑结构抗震设计中,但现行国家规范对性能设计的规定,仅是考虑宏观层面的层间位移角及使用承载力对构件进行控制,而没有深入到构件和节点的变形。详细分析了T型钢梁柱节点屈服模式和破坏模式,对该节点弯矩-转角曲线所涉及参数的物理意义进行阐述,得到T型钢梁柱节点标准化力-变形曲线,从而使对构件和节点进行变形控制成为可能。

关键词：性能设计； T型钢梁柱节点；力-变形曲线；变形控制 0 引言

钢结构抗震性能化设计中有三个非常重要的概念：性能水准、性能目标和接受水准[1]。性能水准是从结构的无数种破坏状况中选出的几种有代表性的离散的破坏状况,是用来描述建筑物在一定地面运动作用下的损伤程度；性能目标是指在一定超越概率的地震发生时,结构期望的最大破坏程度,即性能目标是地震设防水准与结构性能水准的组合,确定结构的性能目标也就是如何根据结构的功能要求、使用情况以及设防地震水平来确定相应的最低形态目标；ASCE 41-13 美国规范[1]中规定：所有的效应(力,弯矩,应变,位移或其他变形)需被指定为：“力控制”或“变形控制”后方可进行评估。力控制的效应是指较为脆性的,无法实现可靠的非弹性变形的效应；变形控制的效应是指延性的,可以实现可靠的非线性变形且没有显著的强度下降的效应,可靠的非线性变形能耗散大量地震能量,但多少才叫可靠呢？ASCE 41-13对变形控制的效应编制了接受准则,即对于某个特定的临界状态给出的构件、节点应力、变形或结构层间位移限值,

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这些限值由图1标准化力-变形曲线中的a(塑性转角),b(极限转角),c(残余强度比),θy(屈服弯矩),Δy(屈服位移),Qy(屈服效应)等参数值来具体界定。

图1 标准化力-变形曲线

对于T型钢梁柱节点(图2)的性能通常由弯矩-转角曲线来表达,即纵坐标为节点所受的弯矩,横坐标为节点转角(梁与柱的轴线夹角在某荷载下相对于无荷载时的改变值)。以下介绍该条标准化曲线每个参数的确定方法。

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图2 T型钢梁柱节点示意 1 屈服转角θy

ASCE 41-13规定：1)当半刚性连接梁柱节点有混凝土覆盖层,且混凝土覆盖层对节点的名义抗力即抗弯强度My有贡献时；2)当半刚性连接梁柱节点有砌体覆盖层,且砌体覆盖层对节点的名义抗力即抗弯强度My的贡献可不计时；3)裸露的半刚性梁柱节点。

对于不属于以上3种情况的半刚性梁柱节点屈服转角θy=0.003,其他所有情况都取θy=0.005。故T型钢梁柱节点近似取屈服转角θy=0.005。 2 屈服弯矩My

半刚性梁柱节点可分为劲性半刚性节点,中等劲性半刚性节点和柔性半刚性节点。高强螺栓连接的T型钢梁柱节点通常被认为是中等劲性半刚

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性节点,常用的连接构造见图2。其弯矩承载力最大能达到梁的全塑性承载力,最小则为梁全塑性承载力的60%~70%。T型钢梁柱节点也可以划分为半刚性全强度和半刚性半强度的梁柱节点。全强度的T型钢梁柱节点能达到梁的全塑性承载力,梁的屈服和节点域的剪切都是塑性变形的来源,而半强度的T型钢梁柱节点塑性变形都是从T型钢处开始发展的。

T型钢梁柱节点是为数不多的不需要任何现场焊接的全螺栓连接节点,螺栓连接使得施工方便、快捷,因为螺栓连接能用于各种各样的梁柱节点中,T型钢梁柱节点能提升钢框架结构的冗余度。然而,这种节点屈服机制和破坏模式多种多样,相对来说比较难设计。屈服机制包括：节点域的剪切屈服、梁的弯曲屈服、T型钢腹板的拉伸屈服以及翼缘的局部屈曲。全强度的这种节点仅限于梁的弯曲屈服和节点域的剪切屈服,半强度的通常仅限于T型钢的腹板伸长率和T型钢翼缘的局部屈曲,额外的转角由螺栓孔的伸长率,螺栓抗拉塑性伸长率以及螺栓剪切塑性变形来提供。

半强度的T型钢梁柱节点屈服弯矩应为以下4种情况的最小值。 1)如果连接T型钢腹板和梁翼缘的螺栓的剪切对节点的屈服弯矩起控制作用,则未滑移时：

(1)

式中：hb为梁的高度；μ为T型钢的腹板与梁翼缘之间摩擦系数；σ为螺栓预紧力的标准差；P为螺栓预紧力；nb为连接T型钢腹板与梁上翼缘或下翼缘螺栓数量的小值。

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这里取一个螺栓的抗剪承载力为μP/(1-1.645σ),而不是GB 50017—2003《钢结构设计规范》[2]中的0.9μP,是因为在性能设计中,评价变形控制效应的力-变形关系时应使用材料的预期强度fCE即材料强度的平均值来计算My[3]。

2)如果连接柱翼缘与T型钢翼缘的螺栓的抗拉承载力对节点的屈服弯矩起控制作用,则：

(2)

式中：ts为T型钢腹板的厚度；k为第一列螺栓轴线到T型钢腹板中心线的距离；n为受拉侧连接柱翼缘与T型钢翼缘的螺栓的数量。

3)如果T型钢腹板的抗拉承载力对节点的屈服弯矩起控制作用,则：

(3a)

(3b)

式中：Ft为T型钢腹板的最大抗拉承载力；fye为T型钢屈服强度平均值；fte为T型钢的抗拉强度平均值；Ag为T型钢腹板的面积；Ae为T型钢腹板的净面积。