中美对半刚性钢框架连接的对比研究

黄聪

黄聪HUANGCong（广东工业大学华立学院，广州511300）（HualiCollegeGuangdongUniversityofTechnology，Guangzhou511300，China）

摘要院钢结构连接分为三类：刚性连接、铰接连接、半刚性连接。其中半刚性连接可以缩短建设工期，降低管理成本，产生良好的经济效益，故对半刚性连接的研究意义重大。作为国际上一种通用规范，涉外工程中通常有应用美国钢结构设计规范的要求。文章针对半刚性钢框架连接中的外伸端板钢框架连接的设计方法，将两国规范进行比较，得出一些有益于工程的结论，为我国修订钢结构设计规范提供参考。

Abstract:Theconnectionscanbepidedintothreecategories:rigidconnections,hingeconnectionsandsemi-rigidconnections.Thesemi-rigidconnectionscanshortentheconstructionperiod,reducemanagementcosts,andproducegoodeconomicbenefits.Soitissignificanttoresearchthesemi-rigidconnections.Asacommoninternationalcode,Americansteelstructuredesigncodeisusuallyrequiredtobeusedininternationalprojectstenders.Inthisthesis,extendendplateconnectionsinthesemi-rigidsteelframeconnectionsareresearchedtoobtainsomeconclusionsbeneficialtoprojects,whichcanprovidereferencesfortherevisionofthesteelstructuresdesigncode.

关键词院中美规范；钢结构；连接；半刚性；对比研究Keywords:ChineseandAmericancodes；steelstructures；connections；semi-rigid；comparativestudy中图分类号院TU391文献标识码院A文章编号院1006-4311（2014）21-0145-021

铰接尧刚接和半刚性连接的受力性能梁柱连接对钢框架结构整个的受力与安全具有非常大的影响。作为整个结构的基本组成部分，连接一旦破坏，结构构件再强也不能发挥作用。按受力变形特征，有三类梁柱连接方式[1]：淤铰接连接。（简称铰接）连接不能承受弯矩，梁柱间有相对转动；于刚性连接。连接可以承受弯矩，梁柱间没有相对转动；盂半刚性连接。连接能承受弯矩，梁柱间有相对转动。

从经济上来说，刚性节点与半刚性节点相比，构造的复杂性导致其造价比半刚性要高出很大一部分，因此完全刚性连接方式应尽量避免采用。半刚性连接同铰接连接比，可以减小构件尺寸从而使框架的总造价降低。从钢材用量方面来看，半刚性连接方式可节省10耀15%的平面框架总重量，同时处理其节点时更加简单，连接可靠且方便施工[2]。

2半刚性连接的典型构造半刚性连接有很多形式，其主要构造形式包括：内缩式端板连接、带双腹板角钢的顶底角钢连接、顶底角钢连接、平齐/外伸端板连接、短T型钢连接。

在这些半刚性连接形式中，外伸端板连接构造简单，连接节点的刚度与承载力可调整范围大，方便应用。梁、柱一般为焊接或轧制H型截面；柱翼缘与端板间的连接通常采用摩擦型高强度螺栓，有利于施工；端板与梁通常采用工厂焊接，焊接质量有保证。当要增加板件的刚度时，需要设置加劲肋在端板、柱腹板处，可以达到节约钢材、提高节点承载力的目的。采用端板连接的钢框架结构应用在低层和多层框架体系中，这种结构在欧洲、美国、日本等国家和地区的比较常见，近些年在低层钢框架中应用端板连接的钢框架结构也渐渐被我国所采用[3]。

3中美规范对半刚性钢框架梁柱连接的设计规定3.1中国钢结构设计规范在半刚性连接设计方面，目前我国的钢结构设计规范只是作了定性的规定，通常假设只有两种梁与柱连接的类型：铰接和刚性连规定接，同时在设计时对于受力情况的考虑仅仅限于弹性阶段的。对于半刚性高强度螺栓连接的有关内容为：“梁柱半刚性连接是不仅承受弯矩，还会产生相应的转角，具有一定的转动刚度，为考虑变形的影响，在分析内力时要先确定连接的弯矩-转角关系。”它没有定量来描述连接的关系，需通过试验来确定具体数值。因此，对于这类结构的计算与设计，缺乏足够的理论依据，也很难确保结构设计达到经济和安全的完美结合[4]。

3.2美国钢结构设计规范对连接作有如下明确规定：“构件与其连接部分的设计，要和结构分析中的假设相一致，并且和框架系统的内在特征相一致”。ANSI/AISC360-10中规定连接可分为受弯连接（MomentConnections）与简单连接（SimpleConnections）。在连接构件中的简单连接是不允许弯矩进行传递的，在分析结构时，连接构件之间可以自由地相对转动，容许连接构件之间进行弯矩传递的是受弯连接。按照连接构件之间相对夹角的改变与否又分为完全约束连接（FullyRestrained（FR）MomentConnections）与部分约束连接（PartiallyRestrained（PR）MomentConnections）。完全约束连接在结构分析中连接构件之间的相对转动是不允许的，而对于部分约束连接来说，在结构分析中必须考虑连接构件相对转动，必须通过试验的方式或通过分析或有技术文件的记载，确定连接的弯矩-转角关系。

4外伸端板螺栓连接节点设计方法钢框架梁柱节点端板式连接，节点处本身属于高次超静定，接头处应力分布十分复杂。节点工作性能与连接处螺栓、端板、柱翼缘、柱腹板以及节点构造等多种因素有关。多种因素对节点性能的确切影响，很难精确的在设计计算时考虑。当前的设计方法有如下几种：4.1轻钢规程设计方法轻钢规程中主要的梁柱连接和拼接节点形式是端板连接。螺栓连接的具体计算方法采用GB50017-2003和《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002）的规定，并针对轻钢结构的特点提出了主要的构造要求，给出了有关端板厚度、节点域抗剪、与端板相连处构件腹板强度等的计算公式。高强度螺栓的计算中将端板视为刚性转动的平面，螺栓群受力为三角形分布，然后利用所得的螺栓拉力按照屈服理论确定端板厚度，进行其它验算。它采用的是按平面端板塑性分析和将屈服控制在端板边缘的设计计算方法，同时，将螺栓极限拉力用抗拉承载力设计值代换和将板材料的屈服强度标准值用设计值代换，以期简化计算和限制变形。

4.2美国规范：T形件法该方法是梁受拉翼缘侧的螺栓承担所有拉力，将弯矩M简化为一对力偶作用在上下翼缘处，将两排螺栓和受拉翼缘简化成T形连接件。

5外伸端板钢框架有限元模型建立国际上目前有限元的通用程序应用在工程领域的已经有数百种。比较著名的有ANSYS，ABAQUS，NASTRAN，COSMOS，MARC，ALGOR和SAP等。结合有限元理论，下面将采用ANSYS来建立模型。

模型几何构造：梁为W24伊55（599mm伊178mm伊10mm伊13mm），柱为W14伊90（356mm伊369mm伊11mm伊18mm），所有板件均为A36，螺栓为A325，直径为22mm。螺栓预拉力为173KN。材料参数如表1所示。

本章研究中几何的缺陷未考虑，也未考虑在焊接时梁与端板，加劲肋和柱翼缘的收缩引起的变形。由螺栓预加力的螺距之间的摩擦力来传递剪力。在建模中假设螺栓在孔边缘没有接触摩擦阻力，且未考虑焊缝的影响。

在建立模型时，全部采用SOLID45实体单元来模拟。

近似按圆形来考虑螺帽和螺栓头面积，用标准轴线来定义高度和截面平面。

采用三维八节点高阶四边形面-面接触单元来模拟端板与柱翼缘的接触表面，即ANSYS中的TARGE170单元和CONTA174单元，接触面间抗滑摩擦系数为0.35。采用PRETS179预拉力单元来模拟螺栓中的预拉力。图1为例题中外伸端板梁柱连接的构造图模型及单元划分。

对节点梁端肋板上施加荷载，ANSYS有限元计算得到节点的等效VonMises应力云图、位移图如图2、图3所示。

从图2及图3可以看出来，连接处梁翼缘及梁翼缘处端板受力及变形最大，最先屈服，其次是与梁翼缘连接处对应的柱腹板，腹板中部的端板受力较小。

由此可见柱腹板加劲肋的作用非常显著，可以提高整个连接的承载能力和刚度，它可以作为必要的构造措施。

6总结通过对美国外伸端板设计规程进行介绍，可以看出端板的厚度对连接性能至关重要。

整个端板连接可以简化成T形构件进行分析，方便简洁。端板可根据支承条件不同分别按悬臂或两边支承板件看待。梁翼缘的轴力传递给节点域柱腹板，使之接近纯剪状态。柱腹板中加劲肋的作用非常显著。

螺栓是整个连接的重要组成部分，宜采用两列型排列方式。螺栓不但承担来自于梁翼缘的拉力，还承担由于柱翼缘、端板弯曲而产生的撬力以及附加弯矩。

端板与柱翼缘间的接触情况、挤压力大小及分布情况十分复杂。接触挤压力主要分布在螺栓孔周围、梁腹板和受拉翼缘的对应位置。

参考文献院[1]李国强，石文龙，王静峰.半刚性连接钢框架结构设计[M].中国建筑工业出版社,2009：13-35.[2]李戍中.高强度螺栓延伸端板连接钢框架有限元整体分析及研究[D].四川大学,2005：13.[3]舒兴平.高等钢结构分析与设计[M].科学出版社,2006：115-117.[4]段祺成等.半刚性钢框架结构分析设计现状及其发展方向[J].吉首大学学报自然科学版，2010,31(2)：83-85.作者简介院黄聪（1987-），女，湖北荆州人，教师，研究方向为钢结构。