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T型钢梁柱节点标准化力-变形曲线*

徐其功1,2　魏还俊1

(1.华南理工大学土木与交通学院, 广州　510640； 2.广东省建科建筑设计院, 广州　510502)

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

*住房和城乡建设部2013年科学技术项目(2013-K2-27)。

第一作者：徐其功,男,1964年出生,博士,教授级高工。

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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,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。

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。

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。

4)如果T型钢翼缘受弯承载力对节点屈服弯矩起控制作用。

在我国钢结构梁柱节点的设计中,一般情况下螺栓很强,而T型钢连接件相对柔弱,到达极限状态时,T型钢连接件在螺栓中线处和远离梁翼缘内圆弧处出现塑性铰线,形成机构而失效[4]。

图3　T型钢受力示意

图4　塑性铰线之间隔离体受力示意

由图3、图4的受力分析有：

(4a)

则：

(4b)

由:

(4c)

故:

(4d)

式中：Q为T型钢端部撬力；FT为翼缘转角处圆弧圆心处的剪力；MP为翼缘转角处圆弧圆心处的弯矩；w为T型钢的长度；tf为T型钢翼缘的厚度；k为柱翼缘第一列螺栓到T型钢腹板中心的距离；k1为T型钢腹板中心线到翼缘转角处圆弧圆心的折算距离[5],对T型钢

；γ为截面形状系数；r为T型钢的圆角半径；D为高强螺栓垫圈外径；Wp及We为T型钢的抗弯抵抗矩。

半刚性节点与刚性节点的区别之一在于半刚性节点屈服和破坏都发生在连接单元而刚性节点发生在被连接单元。Leon等的滞回试验[6]表明T型钢节点的塑性变形就是从连接单元T型钢处发展的,且T型钢翼缘的弯曲屈服比之梁翼缘螺栓的受剪屈服延性更好、转动能力更大,连接T型钢翼缘和柱翼缘的屈服和较早破坏也会带来比其他破坏模式更大的延性。当T型钢翼缘弯曲屈服时,有必要控制抗拉螺栓的撬力因为撬力比较大,螺栓的破坏也会使节点的延性降低[7]。螺栓的撬力应控制在不大于破坏弯矩单独作用时的螺栓力的30%。

3　极限弯矩Mu

3.1　T型钢梁柱节点的破坏形态

T型钢梁柱节点由T型钢、高强螺栓、梁、柱等构成,由于各构件之间相对强弱的变化,节点破坏模式也有所不同,破坏模式主要有以下几种：

1)节点剪切滑移破坏。当柱翼缘与T型钢翼缘之间最大静摩擦力小于节点所受的剪力,节点发生剪切滑移,滑移后节点所受剪力由柱翼缘与T型钢翼缘之间的动摩擦力和高强螺栓杆来承担。假设最大静摩擦力等于动摩擦力,则最大静摩擦力也等于摩擦系数乘以高强螺栓的预拉力。

2)柱翼缘局部屈曲破坏。由于节点弯矩的存在,梁上翼缘T型钢腹板处会产生拉力,该拉力通过T型钢翼缘与柱翼缘之间的高强螺栓传递到柱翼缘,当柱翼缘较薄或宽厚比较大时,柱翼缘可能发生局部破坏。

3)受压柱腹板局部屈曲破坏。主要是因为下部T型钢压力相对过大,挤压柱腹板,引起屈曲或是因为柱腹板本身较薄。

4)T型钢腹板挤压或拉伸破坏。当T型钢腹板较薄,弯矩作用下形成的压力拉力对又相对较大时,T型钢腹板容易压或拉坏。

5)T型钢翼缘受弯屈服破坏。

6)连接柱翼缘和T型钢翼缘的螺栓的拉伸破坏。

3.2　半强度的T型钢梁柱节点极限弯矩Mu

1)连接梁翼缘和T型钢腹板的螺栓的剪切破坏：

(5)

式中：Ab为连接T型钢腹板与梁翼缘的单个螺栓面积；L为柱子之间的距离；hc为柱高；S1为T型钢腹板左端第一列螺栓到柱翼缘表面的距离；S3为T型钢腹板右端第一列螺栓到腹板边缘的距离。

2)连接柱翼缘和T型钢翼缘的螺栓的拉伸破坏：

(6)

式中：a为螺栓中心到T型钢翼缘端部的距离；db为螺栓直径。 其他各参数物理意义同上。

3)T型钢腹板的拉伸破坏：

(7)

式中：长度单位为mm,其他参数物理意义同上。

4)T型钢翼缘的弯曲破坏：

(8)

4　塑性转角a、极限转角b、残余强度比c

关于T型钢梁柱节点塑性转角a、极限转角b、残余承载力比c,ASCE 41-13的规定值见表1。

表1　T型钢梁柱节点塑性转角a、极限转角b、

残余强度比c值

破坏模式a/radb/radc连接梁翼缘和T型钢腹板的螺栓的剪切破坏0.0180.0240.1连接柱翼缘和T型钢翼缘的螺栓的拉伸破坏0.0080.0120.4T型钢腹板的拉伸破坏0.0120.0180.8T型钢翼缘的弯曲破坏0.0420.0840.2

5　下降段CD的斜率

标准化力-变形曲线(图1)的下降段CD由于下降过于急剧,会导致输入到计算软件的数据出现计算困难或不收敛,故此对下降段CD,可以人为指定一较大的负斜率(如-100),使其由极限强度C点下降到残余强度D点。

6　结束语

标准化力-变形曲线是钢结构性能设计准则中的重中之重,本文从T型钢梁柱节点M-θ曲线的各点物理意义入手,通过分析其屈服模式和破坏模式,详细阐述了T型钢梁柱节点的屈服转角、塑性转角、屈服弯矩、极限弯矩、残余强度比和下降段斜率,得到T型钢梁柱节点的完整标准化力-变形曲线。

参考文献

[1]　ASCE 41—13　Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings[S].

[2]　GB 50017—2003　钢结构设计规范[S].

[3]　徐其功,蔡辉,李争鹏.基于性能的高层建筑钢结构抗震设计研究[J].钢结构,2015,30(7):70-75.

[4]　吕烈武,沈世钊,沈祖炎,等.钢结构结构稳定理论[M].北京：中国建筑工业出版社,1983.

[5]　李秀梅,张克实,王涛,等.梁柱T形钢连接节点力学性能及加强方式研究[J].建筑结构,2015(3):53-58.

[6]　Leon R T. Seismic Performance of Bolted and Riveted Connections[R].US:SAC,2000.

[7]　FEMA 355D　State of the Art Report on Connection Performance[S].

AN IDEALIZED FORCE-DEFORMATION CURVE OF THE T-STUB STEEL BEAM-COLUMN CONNECTIONSXu Qigong1,2　Wei Huanjun1

(1.College of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China;

2.Jianke Architectural Design Institute of Guangdong Province, Guangzhou 510502, China)

ABSTRACT：Performance-based seismic design has been widely used in engineering design, especially in out-of-codes high-rise building.However, the current national code only considered story drift and load-carrying capacity,while ignored the deformation of specific steel components, to keep performance of buildings. In this article, the yield and failure modes of T-stub steel beam-column connections were analyzed in detail and the physical significance of the parameters involved in theM-θcurve were described, an idealized force-deformation curve of the T-stub steel beam-column connections was obtained, which made it possible to conduct deformation control for steel components and beam-column connections.

KEY WORDS：performance-based seismic design; T-stub steel beam-column connections; force-deformation curve; deformation control

收稿日期：2015-09-10

DOI:10.13206/j.gjg201601005