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端板连接组合节点抗弯承载力的分析

来源:易榕旅网
维普资讯 http://www.cqvip.com 科研开发 端板连接组合节点抗弯承载力的分析 舒兴平 张再华 (湖南大学钢结构研究所长沙410082) 摘 要 在钢一混凝土组合钢框架结构分析中,必须了解粱柱组合节点连接的受力性能,其中节点承栽力性能是 最基本的受力性能。利用l欧洲规范3(EC3)与欧洲规范4(EC4)介绍的组件法思想,针对已有的端板连接组合节点 承栽力分析方法的不足,提出了端板连接蛆合节点负弯矩作用下抗弯承栽力的详细计算步骤,分析结果与试验蛄 果进行了比较验证。该方法符合工程设计习惯,精确度高。方便工程设计。 关键词 钢一混凝土组合钢框架 端板连接组合节点 抗弯承栽力 ANALYSIS OF BENDING BEARING CAPACITY OF END-PLATE BEAM.TOCOLUMN COMPOSITE JOINT Shu Xingping Zhang Zaihua (Steel Structure Institute。Hunan University Changsha 410082) ABSTRACT During the analysis Of stee1 concrete composite frame.the mechanical behavior Of the beam—eolunm composite joint must be understood very wel1.Of all the mechanical behaviors,load—bearing capacity of the joint is the basic one.Using the componentmethod introduced in Eurocode 3 and Eurocode 4,aiming at the existing methodical .shortage of end・plate beam—column composite joint load—bearing capacity analysis。it is proposed a detail calculating procedure for the end—plate beam-column composite joint under hogging moment.The analytic result is compared with that of the experimefit.This method matches the engineering design habit,with hi gh accuracy。it is convenient to engineering design. KEY WORDS steel—concrete composite frame end—plate connect composite joint bending bearing capacity 1概述 端板连接组合节点以其施工方便,承载力与转 动刚度均比较大,在工程中应用较多。但由于影响 其受力性能的因素较多,难以准确反映其承载力。 目前,组合节点承载力分析方法主要有以欧洲 规范EC3与EC4为基础的组件法 1 以及截面塑 性分析方法两种。我国基本上是采用简单塑性理论 的极限承载力计算方法,它假定高强螺栓参与受拉 时,除受拉区最下一排螺栓以外,其余受拉螺栓全部 达到屈服强度…1,同时承载力分析不涉及节点的具 l—I 螅 2-2 体构造,如端板厚度对节点承载力的影响不予考虑, 图l 组件法计算端板型组合节点承载力基本模型 这些都与已有的试验结果不符。本文针对端板连接 组合节点形式,利用组件法思想(基本模型见图1), 2 端板连接组合节点抗弯承载力分析 按照实际工程设计的习惯,对组合节点抗弯承载力 2.1各组件承栽力分析 进行详细分析,由于实际工作中梁柱连接多数为负 2.1.1柱腹板受压承载力 弯矩作用,本文只分析负弯矩作用下端板连接组合 节点受弯承载力,分析结果将与试验结果进行比较 第一作者:舒兴平男1962年4月出生博士教授国家 一级洼册结构工程师 验证。 Email:csjwsted@163.corn 收稿日期:2005一l2—20 7n “ 1 l ^ ^d 维普资讯 http://www.cqvip.com 舒兴平,等:端板连接组合节点抗弯承载力的分析 腹板的受压承载力由腹板与腹板加劲肋两部分 接相互影响的考虑,端部节点取口=l;内部节点两 的抗力组成,按如下计算: 侧连接同时受负弯矩作用时取 =l;内部节点两侧 FRdf F cc,Rd+Fscc,Rd= ,,,连接受同转动方向弯矩作用时取 =1.5;内部节点 kwe8(U b。ffI ,, t fy +2kWC,af b fy。 (1) 两侧连接构造与受力都对称时,取口=0,则有: 其中,b ff, ,、Ⅳ = fb+2√2口f+ p十5(r +ff ),为柱 r 1 腹板抗压有效计算宽度(图2);F Rd、F . lRd分 :J【 再 隶 ,1,5 别为腹板与加劲肋的抗力;cu 为考虑柱腹板剪力对 1 0 腹板受压的影响系数,当设置加劲肋时,cu =I; (4) k 为考虑柱轴向压力对腹板局部受压稳定性的 式中,A =A 一26 fc+(t 。+2r )tf ;A 为柱横 影响系数;t 为柱腹板厚度;t b。分别为加劲肋的 截面面积。 厚度与外伸宽度;f 、f 分别为柱腹板、加劲肋板 2.1.2梁翼缘受压承载力 抗压强度设计值;口f、t。分别为端板与钢梁翼缘的焊 按SCI的推荐 ],该部件的抗力按如下考虑: 角高度及端板厚度;r 为热轧I型或H型钢的圆角 FRd,2=Ffb,c-Rd=1.4fyfbt eobeo (5) 半径;tfb、 fc分别为粱、柱翼缘厚度。 式中,, fb取梁翼缘抗拉强度设计值,该压力作用点 在钢梁下翼缘形心位置。 2.1.3 板内纵向钢筋受拉承载力 该部件受拉承载力为: Fad.3=rain【f kA ; 』、,:] (6) 式中,A 为配筋截面面积;f k为钢筋抗拉强度设计 图2柱腹板抗压有效计算霓度 值;N:为单个剪力连接件的抗剪设计强度; 为剪 系数k . 计算中 引入系数 。作为对腹板局 跨区剪力连接件数量;对于完全剪力连接的节点,直 部受压的考虑,且当设有加劲肋时, :0,_p按如 接取FRd,3=A k。 下计算: 2.1.4 单排螺栓受拉承载力 √警 单排螺栓受拉承载力: FRd.4=2B .Rd=2×0.9f BA b (7) 则有: 式中,B .Rd为单个螺栓的抗拉承载力;.,’ b、A曲分别 f1・0 p≤0・67 为螺栓抗拉强度设计值与螺栓受拉截面面积。 cIa 5一o.5 I ̄rl wc] >0,67 2.1.5 柱翼缘受弯承载力 柱翼缘受弯承载力计算采用等效T形件的方 (3) 法l4』,引入等效T形件宽度的概念,按式(8)计算: 式中,d 见图1; . 为柱腹板与翼缘圆角根部名 FRd。5, =rain[Ffc.1l,Rd;Ff .t2.Rd] (8) 义应力(即柱在压弯作用下的圆角根部名义应力,见 图3),通常d ≤0.5f ,因此,节点设计时可以 其中F 假定 ≤0.5f ,设计完成后验算其是否假定 2f eff,c,fcm p1,£c走fc+2B£。Rdn 成立。 fc,t2・Rd _——— 了 ——一 式中,FRdl5. 为考虑第i排螺栓受拉时柱翼缘受弯 固 承载力,以下分析各部件受力中考虑螺栓影响时采 用相同的表示方法。 kf 为考虑框架柱受压弯作用在翼缘产生的纵 向应力对翼缘局部受弯的影响系数,按如下取值: f1.0 d .f ≤180 MPa c 图3柱腹板、翼缘处名义应力 1 [ l1“l.・  f——— —2——f— y— 3—c——— ——6—0—— —— ]Ojl 'n,fc>1’ l 80 MPa系数∞ 计算中引入系数 作为对节点两侧连 式中,d .fc为柱翼缘处名义应力(图3);, f 取柱翼 c…l r、…… t;nn ’nn6 f2、.V01.21.No.85 ,1 维普资讯 http://www.cqvip.com 科研开发 缘抗压设计强度,通常 . ≤0.5f fc,节点设计时 载力设计值。 可以假定 .fc≤0.fyfc,设计完成后验算是否假定 2。2组合节点抗弯承载力Mj.Rd的确定 成立;z f 为柱翼缘受弯等效T形件宽度,取 整个节点的抗弯承载力可以表示为: /elf,t,fc:∑dH+4 ,当考虑单排螺栓受拉时 MjlRd=∑( ,F Rd) (13) ff fc:4州, 、d 由端板构造与螺栓排列确定, 式中,r为受拉部件的排数,节点由上往下第一排为 取值见图1,以=rain[P;1.25 ;P。];m p[,fc为柱翼 板内钢筋,第二排受拉部件即为第一排高强螺栓,依 缘塑性抗弯承载力, pl,fc=0.25t ̄f fc;e = 次往下。本方法计算端板连接组合节点承载力时,其 d /4,d 为高强螺栓螺帽外接圆直径。 压力作用点取为钢梁下翼缘形心位置;h 为各排受 2.1.6 端板受弯承载力 拉部件与压力作用点之间的距离;F Rd为各受拉 考虑方法与柱翼缘受弯时相同,按式(9)计算: 部件的设计抗拉承载力。 FRd.6. =rain[F ep1t1,Rd;Fep,t2,Rd] (9a) 通过以上分析已确定了影响节点性能的各部件 承载力,下面通过校验的方式确定各F Rd以确定 Fep, ̄l,Rd: MjRd。Ftr。,Rd的确定采用从上往下的步骤,计算上 FefeD.pt2.Rd: pl+ p 皿 (9。)c,  排受拉部件设计抗拉承载力时,所有下面受拉部件 , 2・Rd— 则不予考虑。 式中,-,,z 1. =0.25t2f ;f 为端板抗拉强度设计 2.2。1 F 1. 为端板受弯等效T形件宽度,eff。 = ,Rd的确定 值;/etfFt1∑dl_1+4m l;dH、 l由螺栓排列与端板构造确 ,Rd应进行如下校验。 1)抗剪与抗压校验 定,见图1、图4;图4中 为梁腹板与端板连接焊缝 高度。以p=rain[ ;1.25m pl;ep]; F Rd≤ Ft1.Rd≤FRd.1 F 1.Rd≤FRd.2 (14) 2)抗拉校验 F 1.Rd≤FRd.3 (15) 取Ftl1Rd=min[FRdI1;FR ;FRd.3; ] 图4粱与端板连接构造 2.1.7柱腹板受拉承载力 (16) 2.2.2 F 2FRd7,l=Fw Rd=(utb f{ fy c.Rd的确定 .,t,wcf (10) 式中,b ff .。为柱腹板抗拉有效计算宽度,取 Ft2,Rd应进行如下校验。 b 。=b ff. lfc; 为考虑柱腹板受剪区域内剪力 1)抗剪与抗压校验 的影响系数,取值同cu 。 F【21 Rd≤ —F Rd 2.1.8 梁腹板受拉承载力 Ft2,FRd8,f=beffttWbt bfy bRd≤FRd.1一Ft1,Rd ,, (11) F 2式中,取梁腹板抗拉有效计算宽度6 =z。ff. ; ,l ≤FRd,2一Ft1,Rd (17) 厂 b为梁腹板抗拉强度设计值。 2)抗拉校验 2.1.9 柱腹板抗剪承载力 Ft2,Rd≤FRd,5,l 当框架端部节点及中间节点受不平衡弯矩作用 Ft2.Rd≤FRd.6,1 时,柱腹板区域抗剪承载力验算十分重要,柱腹板抗 Ft2.Rd≤FRd,7,I 剪承载力按式(12)取值: Ft2.Rd≤FRd,8,l (18) ‰= = 取Ft2,Rd=rain[FRd,1一Ft1,Rd;FRd,2一F 1.Rd; — — 一式中,卢取值按2.1.1节说明取值, :0时取 Ftl,Rd;FRd5,1;FRd,,6,l;FRd7,1;FRd..8.1] F Kd'9=oo;V ,Rd为框架端部节点柱腹板抗剪承 (19) ,, 钢姑抽 ’nn 血能'妇蓝11尘H时n 维普资讯 http://www.cqvip.com 舒兴平,等:端板连接组合节点抗弯承栽力的分析 2.2.3 F r3_Rd的确定 F 3_Rd应进行如下校验。 1)抗剪与抗压校验 Ft3lRd≤ ,4 结 语 端板连接组合节点的抗弯承载力受组成节点的 各个部件的相互影响,必须全面分析各组成部件的 FtllRd—Ft2lRd 受力状况,才能真正得出其可能承受的弯矩值。利 用本文的分析方法,在确定节点构造之后即可分析 Ft3Rd≤FRd.1一Ft1,Rd—Ft2,Rd Ft3Rd≤FRd,2一Ftl,Rd—Ft2,Rd ,得出节点的抗弯承载力,比梁端截面的塑性分析方 (20) 法精确合理,也比通常节点分析的有限元方法简单, 2)抗拉校验(只考虑第二排螺栓作用) 便于工程设计使用,分析结果与试验结果吻合较好。 Ft3,Rd≤FRd,5,2 Ft3,Rd≤FRd.6.2 3,Rd≤FRd,7,2 Ft3,Rd≤FRd,8。2 (21) 裹1 组台节点负弯矩作用下抗弯承栽力 Ft分析值与试验结果比较 3)抗拉校验(考虑第一、第二排螺栓一起作用) Ft2Rd+Ft3,,Rd≤FRd,5,(1+2) Ft2Rd+Ft3,,Rd≤FRd。6.(1+2) Ft2Rd+Ft3,,Rd≤FRd,7,(1+2) Ft2Rd+Ft3.,Rd≤FRd,8,(1+2) (22) 取F【31Rd=min[ 一F【1IRd—Ft2,Rd;FRdl1一 Ft1Rd—Ft2Rd;FRd2一FtlRd—Ft2..,,,Rd;FRd,5,(1+2)一 Ft2Rd;FRd6,(1+2)一Ft2Rd;FRd7,(1+2)一Ft2Rd; ,,,,,FRd8.(1+2)一FaRd;FRa5,2;FRa6,2;FRa7.2;FRa..,,。。8。2] (23) 当连接节点中布置有多排螺栓时,按照上述方 法先计算各组件的受力,再从上往下对各排受拉部 件的受力进行检验,分析出板内配筋及各排螺栓的 实际受力,从而得出组合节点的抗弯承载力。 参考文献 1过轶青.端板型半刚性钢一混凝上组合节点的试验研究:[博士 3承载力理论分析与试验结果的}匕较 学位论文].南京:南京工业大学。2003 利用本文的分析方法计算了文献[5—8]中共 2 SSEDTA 2001:Structural Steelwork Euroeodes Development of a 14个端板型组合节点的抗弯承载力,并与试验结果 Trans—National Apraoeh.2001 3 Nethercot D A.Composite Construction.New York:Taylor& 进行了比较(表1)。这些试件包含了内部节点与端 Francis,2003 部节点,也包含了平齐式、外伸式以及部分端板连接 4 Eurocode 3:Design Of Steel Structures.Part 1.8:Design of Joints 等多种连接形式,内部节点还包含了左右两侧连接 5 Wang Jianyi.Nonlinear Behaviour of Semi-Rigid Composite Joints 各种不同的受力情形(构件名称中上标R、L表示连 under Lateral Loading:Experimental and Theoretical Study:[PhD 接的右端与左端)。由于没有楼板与钢梁部分剪力 Thesis].Hong Kong:The Hong Kong Polytechnic University。1999 6 Simoes L da Silva。Rui D Simoes。Paulo J S Cruz.Experimental Be— 连接的节点试验资料,本文没有计算部分剪力连接 havior of End.Plate Beam.tO.Column Composite Joints under Mono- 组合节点承载力,全部节点均为完全剪力连接。从 tonlcal Loading.Engineering Structures,2001,23:1 383 1 409 比较结果可以看出,本文方法的分析结果与试验结 7 Brown N D,Anderson D A.Structural Properties of Composite Ma- 果吻合较好,由于分析中材料强度为试验得出的材 i0r Axis End Plate Connections.Journal of Constructional Steel Re・ 料屈服强度(文献[8]强度取值参考文献[7]),没有 search,2001,57:327—349 8 Richard Liew J Y,Teo T H,Shanmugam N E。et a1.Testign of 考虑板内钢筋的受拉强化,多数分析结果比试验值 Steel-Concrete Composite Connections and Appraisal of Results. 略小。 Journal of Constructional Steel Research.2000。56:117—150 

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