梁柱端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)極限承載力抗震

1、梁柱端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)極限承載力抗震設(shè)計(jì)方法陳小峰郝際平（中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司)（西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院）1994年美國北嶺地震(Northridgeearthquake)和1995年日本阪神地震(Hyogoken-NanbuEarthquake)中，有200多個(gè)鋼框架因梁柱焊接節(jié)點(diǎn)脆斷而破壞，而采用端板連接的結(jié)構(gòu)的破壞程度明顯輕微，這兩次地震充分的說明端板連接具有良好的抗震性能。下圖所示的三種外伸端板高強(qiáng)螺栓連接構(gòu)造可考慮用于多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中。端板連接的破壞形式取決于各組件的相對強(qiáng)弱關(guān)系，因此具有多樣性。試驗(yàn)中出現(xiàn)的各種破壞形式：梁的彎曲屈服端板的彎曲屈服梁柱節(jié)點(diǎn)域

2、的剪切屈服高強(qiáng)螺栓的脆性拉斷高強(qiáng)螺栓的剪切破壞各種焊縫的破壞梁端板節(jié)點(diǎn)域?qū)τ谥斜《税澹?jié)點(diǎn)破壞為脆性破壞，破壞模式為端板的屈服和隨后螺栓的突然脆斷，端板的屈服可以提供中等的耗能能力，然而它會(huì)導(dǎo)致螺栓中較大的撬力，從而導(dǎo)致螺栓在拉力和彎矩作用下過早的脆斷；對厚端板，梁翼緣和腹板的局部屈曲破壞是理想的屈服破壞模式，能提供較大的延性和耗能能力，同時(shí)也滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則?？拐鹨?guī)范(GB50011-2001)中規(guī)定“構(gòu)件連接應(yīng)按地震組合內(nèi)力進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)并進(jìn)行極限承載力驗(yàn)算”的計(jì)算原則，端板連接中的螺栓、板件需進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)和極限承載力設(shè)計(jì)。本文對端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)只進(jìn)行極限承載力設(shè)計(jì)，彈性設(shè)

3、計(jì)按一般方法設(shè)計(jì)。本文建議的端板螺栓連接的抗震極限承載力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和一般剛性節(jié)點(diǎn)相同，即為梁截面出現(xiàn)塑性鉸時(shí)，端板和螺栓未破壞。滿足“強(qiáng)柱，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。Mpb=CpbRybWPbfybCpb為連接承載力系數(shù)，該系數(shù)考慮應(yīng)變強(qiáng)化、局部約束、額外加強(qiáng)等因素，對大多數(shù)連接，可用下式確定：Cpb=fyb+fub2fyb1.2設(shè)計(jì)時(shí)可取1.2。確定了梁的預(yù)期塑性鉸彎矩和塑性鉸的位置，連接中各個(gè)構(gòu)件的強(qiáng)度要求就可以確定，無加勁肋端板梁柱節(jié)點(diǎn)中梁的塑性鉸位置一般取d/2和3bbf的較小值。端板梁柱連接節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵截面在柱面，對于無加勁肋端板梁柱節(jié)點(diǎn)，柱面的彎矩為預(yù)期的梁截面塑性鉸彎矩和塑性鉸

4、處的剪力所產(chǎn)生的附加彎矩之和，見圖2。Vpb=2Mpbl-2e+VgravityMf=Mpb+VpbeKennedy模型中板的三個(gè)階段由于本文的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，非彈性行為主要集中在梁上，所以按照本準(zhǔn)則，端板和柱翼緣為“厚”板，這就確保了端板和柱翼緣仍處于彈性階段，所以螺栓中不產(chǎn)生撬力。在彎矩作用下各螺栓拉力的分布情況和端板的柔性有密切關(guān)系，試驗(yàn)表明當(dāng)螺栓有預(yù)拉力時(shí)，內(nèi)外螺栓的拉力差別不大，我國對高強(qiáng)螺栓都施加預(yù)拉力，且端板厚度一般大于螺栓直徑，可以把內(nèi)外螺栓看成受力相等，旋轉(zhuǎn)中心可認(rèn)為位于梁受壓翼緣的厚度中央處。2Pt(h0+h1)Mf，12Pt=0.9fytd

5、t4=Vpbmin(0.58nfAetfut,dtfcut)由于端板連接的受力特性非常復(fù)雜，所以從很早開始，就有一些研究者努力探尋用簡化的力學(xué)模型和理論分析方法來研究端板連接，目前最常用的是塑性鉸線理論端板的塑性鉸線根據(jù)端板的塑性鉸線，可得內(nèi)力虛功：Wi=(mppnxLnx+mppnyLny)n=1N單位虛位移下外力虛功為：1We=Mpp h利用內(nèi)力虛功等于外力虛功，可計(jì)算出端板的塑性抗彎強(qiáng)度：Mppbp2=fyptp211112he+sh1 +h0 -+()1f1 ese2af1f01sp=如果2 ef1>s取ef1=s1bp11Ypp=h1 +h0 e e2sf0f12Mpp=fyp

6、tpYpp 令12-+he+s()1f12a將上式的屈服強(qiáng)度用設(shè)計(jì)強(qiáng)度代替，得端板的厚度應(yīng)滿足：tp驗(yàn)算端板的外伸部分的剪切強(qiáng)度：T=MfMfdb-tbf，T2fvpbptpMf20.58fupbp-2d0db-tbftp2fpvbpdb-tbftp利用虛功原理，可計(jì)算出柱翼緣的彎曲強(qiáng)度。Mpcfbcf2=fyctcf21111+h0 +h1 + sc scf1f02hs+c+hs+c+()()1f10f0a節(jié)點(diǎn)域既不能太厚，也不能太薄，太厚使得節(jié)點(diǎn)域不能發(fā)揮其耗能能力，太薄使得框架的側(cè)移太大，考慮節(jié)點(diǎn)域的部分屈服,節(jié)點(diǎn)域的屈服承載力應(yīng)符合下式要求：0.7(Mpb1+Mpb2)hbhctw(4/3)fv由于鋼框架梁柱連接節(jié)點(diǎn)的延性的確定因素在于焊縫的質(zhì)量，延性以及合理的構(gòu)造，而端板連接的所有焊接工作均在工廠完成，焊接質(zhì)量有較高保證。本文將端板螺栓連接應(yīng)用到多高