试议刚性半刚性节点与其在门式刚架中运用

【摘 要】门式刚架中基础与柱连接、柱与梁连接、梁与梁连接一般多采用端板连接，而端板连接是典型的半刚性节点连接，端板半刚性连接对门式刚架的内力和位移有较大影响。所以了解端板连接的受力特点、有效的提高端板连接的转动刚度、合理利用半刚性连接节点的优点显得尤为重要。建议在工程设计中应采取相应措施，尽量避免半刚性节点产生的不利影响。
【关键字】门式刚架；半刚性节点；端板连接
引言
在传统的设计计算中，很多的节点连接都检测定为单纯的铰接节点或单纯的刚性节点这种理想的连接模式。（注：理想铰接的检测定意味着梁与柱之间没有弯矩的传递，梁和柱的转动是相互独立的；理想刚性连接的检测定则表明，当框架变形时，相邻梁柱之间不会产生相对转动，其夹角保持不变。）而在实际的应用中，理想的刚接或是铰接都是不合理的。因为检测定的理想的刚接连接具有一定的柔性，而检测定的理想的铰接也具有一定的刚度。在门式刚架设计中，基础与柱连接、柱与梁连接、梁与梁连接常采用端板连接，这些节点处理不好将会把刚性节点转变为半刚性节点，与工程的实际受力情况不符，存在很大的安全隐患。

1、半刚接与刚接门式刚架比较

在门式刚架计算中，与刚接刚架相比刚接刚架的水平位移增大，柱顶的竖向位移基本不变，但屋脊节点的竖向位移显著增加。半刚接刚架的柱脚弯矩和剪力增大，其余内力变化不大。而产生上述的原因主要是：节点处的转动刚度的变化。节点刚度取值的大小直接影响着门式刚架结构的内力和位移。节点处的转动刚度减小，会导致构件能承受的弯矩及位移减小。当节点转动刚度较大时，门式刚架按理想刚性节点连接进行分析和设计是没有问题的，但会偏于不安全。
目前，在设计门式刚架时一般把梁柱节点看作完全刚接。但是，国内外大量研究成果表明，在门式刚架结构中广泛应用的梁柱端板连接节点应该是半刚性连。完全刚接的设计检测定可能会高估刚架的承载能力。外力荷载作用具有在时间、强度和空间的强随机性，加上结构材料强度、设计和施工过程以及人为因素的影响，使得结构的性能在外力荷载作用下会有很大的不确定性。如在风荷载的作用下，门式刚架结构的抗风可靠性受梁柱连接节点转动刚度的影响较大。节点转动刚度对门式刚架柱顶位移、结构稳定承载力以及构件抗弯强度可靠性均有较大影响，按照完全刚性节点设计将会高估结构的可靠度，造成结构不安全。

2、半刚性节点连接的优点

半刚性节点连接具有如下优点： ①考虑了节点区域的相对变形，可以缓和杆件内的应力集中； ②当地震荷载作用时，具有良好的耗能性能和较大的屈服容量和延性容量及降低位移反应； ③对于某些节点而言，相对于完全刚接或铰接的分析，更接近于结构的真实受力情况。

3、端板连接节点

在门式刚架中端板连接是很常见的，它也是很典型的半刚性节点连接形式。据有效数据统计，在常见的端板半刚性转动刚度范围内，与理想刚接刚架相比，半刚接刚架的柱顶水平位移增加了10 %～30 % ，屋脊节点的竖向位移增加了15 %～60 %，柱脚弯矩增加了0. 5～2 倍，柱脚剪力和屋脊弯矩增加了10 %～50 % ，柱顶弯矩、梁端弯矩和剪力都有不同程度的减小。在常见的转动刚度范围内，除了位移和柱脚剪力外，其余无量纲内力参数和转动刚度的对数值基本为线性关系。
端板连接节点主要的受力特点：主要承受构件的弯矩和剪力，弯矩主要是靠端板与构件翼缘和腹板来承担，而剪力则是靠被连接件间的摩擦力传递。
在门式刚架中端板连接是很典型的半刚性节点连接形式。端板连接很难达到完全的刚性连接，我国现行设计规程《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》ESCE102 ：2002） 中对于高强螺栓外伸端板连接按刚性节点考虑，与实际情

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况有一定偏差，节点半刚性对结构内力及变形产生一定影响，因此，设计过程中应考虑节点半刚性的影响，对跨中弯矩、梁端弯矩以及跨中挠度作相应的修正，使其更接近工程实际，从而得到更合理的设计。
增加端板连接节点的刚度也可以通过增加端板连接的转动刚度与合理采用端板形式、端板尺寸、螺栓排列方式、螺栓直径的大小、端板是否设置加劲肋等构造措施来实现。如与柱刚性连接的梁，采用外伸式端板连接（这样可以借助梁高度以外的螺栓更好的传递弯矩）；采用施加预拉力的高强螺栓，螺栓的布置通常对称于其腹板；加设加劲肋；通过利用焊接来提高端板连接的转动刚度；（梁柱焊接刚性节点的转动刚度在6 ×105 kN ·m/ rad 左右，而螺栓连接节点的转动刚度在（2～10） ×104 kN ·m/ rad 之间 ，约是焊接刚性节点转动刚度的1/ 6～1/ 30 ）。以上都充分说明了构造措施选用的是否合理也是相当重要的。
4、结语
（1） 半刚性节点在门式刚架中应用的很广泛，较刚性节点连接存在着较大的隐患，当节点转动刚度较大时，门式刚架按节点理想刚性设计是可行的，但当节点的转动刚度较小时仍按理想刚性对待可能会导致结构的不安全，要考虑到刚架分析和设计中节点半刚性的不利影响，因此建议设计时应尽量增大节点的刚性。但半刚性节点也存在其自身的特点，在工程中合理的利用也是很有必要的。
（2）端板连接是很常见且典型的半刚性节点连接形式。在设计中应通过合理选择连接方式和构造措施增大节点刚度，使之与理想刚性节点接近。同时，也应对刚接刚架内力值进行相应修正，考虑节点半刚性对刚架的不利影响。
（3） 在以后的门式刚架分析和设计中应考虑半刚性的影响，针对节点部位的细节，进行有关承载力、变形能力预测的实验和分析，逐步积累基础数据是必要的，以便做进一步的研究和探讨。