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1、采 用 角 钢 连 接 节 点 的 新 设 计 模 型卢 小 松 陈 向 荣(西 安 建 筑 科 技 大 学 西 安 710055)摘 要 对 采 用 顶 底 角 钢 和 腹 板 角 钢 等 两 种 连 接 节 点 的 M - 关 系 的 数 学 模 型 进 行 了 研 究 ,提 出 了 可 供 设 计 采 用的 对 数 形 式 三 参 数 模 型 。 此 模 型 中 ,初 始 刚 度 完 全 由 理 论 分 析 得 出 的 解 析 公 式 计 算 ,极 限 弯 矩 则 由 可 能 出 现 的 多种 破 坏 形 式 中 的 最 小 理 论 承 载 力 确 定 ;而 形 状 系 数 则 由 试
2、验 结 果 进 行 回 归 分 析 得 到 。 通 过 与 前 人 报 道 的 试 验 结 果对 比 后 发 现 ,该 计 算 公 式 与 试 验 结 果 有 着 很 好 的 吻 合 ,同 时 也 便 于 在 设 计 工 作 中 采 用 。关 键 词 设 计 顶 底 角 钢 连 接 腹 板 角 钢 连 接A NEW DESIGN MODEL FOR BOLTED2ANGL E CONNECTIONSLu Xiao song Chen Xiangrong(Xi an University of Architecture and Technology Xi an 710055)ABSTRACT A
3、ccording to the research on M - model using top2seat angle connection and web angle connection , a logthree2parameter model is proposed for designs , where the initial stiffness is computed by the analytic formula obtainedthrough theoretic analyses ;the ultimate moment is determined by the least the
4、oretic bearing capacity of the probable multi2failure mode ; shape factor is obtained by the regressive analysis of results. It has been found by comparison of thepredecessors test results that the calculated results agree well with those of the tests , which are also convenient fordesigns.KEY WORDS
5、 design top2seat angle connection web angle connection在 传 统 的 钢 框 架 结 构 设 计 分 析 中 ,通 常 将 梁 柱连 接 节 点 简 化 为 只 能 传 递 剪 力 的 铰 接 和 能 够 完 全 传递 弯 矩 及 剪 力 的 刚 性 连 接 ,这 两 种 连 接 节 点 都 是 非常 理 想 的 情 况 ,可 以 说 在 现 实 中 是 不 存 在 的 ;相 反 ,所 有 的 连 接 节 点 都 表 现 出 介 于 两 者 之 间 的 性 质 ,换句 话 说 就 是 节 点 均 表 现 出 半 刚 性 。AISC2L RF
6、D 规 范 1 粗 略 地 将 半 刚 性 连 接 分 为全 约 束 连 接 ( Fully Restrained FR)和 部 分 约 束 连 接( Partially Restrained PR) ; 在 BS 5950 和 AISC2ASD 中 是 将 结 构 按 照 连 接 类 型 分 为 刚 性 连 接 框 架 、简 单 连 接 框 架 和 半 刚 性 连 接 框 架 ,但 几 乎 所 有 的 现行 规 范 都 没 有 明 确 规 定 如 何 具 体 进 行 设 计 。本 文 将 针 对 在 工 程 实 际 中 经 常 采 用 的 角 钢 连 接节 点 提 出 更 为 实 际 和 符
7、 合 研 究 结 果 的 设 计 模 型 ,以便 于 在 设 计 工 作 中 采 用 。1 现 有 研 究 成 果 的 回 顾现 阶 段 ,在 连 接 性 能 试 验 所 得 曲 线 的 基 础 上 提出 了 各 种 M - 关 系 模 型 。111 多 项 式 模 型20 世 纪 60 年 代 至 70 年 代 , Sommer 和 Frye、Morris 提 出 了 用 奇 次 多 项 式 表 达 的 M - 曲 线 : = C1 ( KM ) 1 + C2 ( KM ) 3 + C3 ( KM ) 5 (1)式 中 , Ci 为 曲 线 拟 合 常 数 ; K为 标 准 化 参 数 ;
8、M 为 节点 处 构 件 承 受 的 弯 矩 ; 为 该 构 件 中 和 轴 的 转 角 。 式(1) 能 在 初 始 阶 段 很 好 地 拟 合 M - 曲 线 特 性 ,但由 于 多 项 式 本 身 特 有 的 性 质 ,当 过 峰 值 点 后 会 出 现曲 线 的 斜 率 为 负 值 ,在 物 理 意 义 上 表 现 为 连 接 刚 度为 负 值 ,这 在 实 际 中 是 不 可 能 出 现 的 。 同 时 采 用 多项 式 模 型 在 物 理 意 义 上 含 义 不 明 确 。112 改 进 指 数 模 型Kishi 和 Chen 2 于 1986 年 提 出 的 改 进 指 数 模
9、型 :M = M0 + mj =1Cj 1 - exp ( - | |2 j ) +nk =1Dk (| | - | k | ) H(| | - | k | ) (2)第 一 作 者 :卢 小 松 男 1972 年 8 月 出 生 硕 士 讲 师Email :lxiaosong sina. com收 稿 日 期 :2005 - 12 - 26式 中 , M 0 为 连 接 的 初 始 弯 矩 ; Cj 、 Dk 为 由 线 性 回 归分 析 求 得 的 曲 线 拟 合 常 数 ; 为 用 来 保 证 数 值 稳 定的 系 数 ; k 为 曲 线 线 性 部 分 的 初 始 转 角 ; H( )
10、 为44工 程 设 计钢 结 构 2006 年 第 3 期 第 21 卷 总 第 86 期 Heaviside 阶 梯 函 数 (当 0时 为 1 ,当 0时 为 零 ) 。式 (2)中 ,各 个 系 数 的 值 均 由 试 验 值 归 纳 得 到 ,因 而 能 很 好 地 模 拟 现 有 的 试 验 结 果 。 但 同 所 有 采 用拟 合 曲 线 法 一 样 ,此 式 不 能 很 好 地 模 拟 斜 率 有 剧 变的 曲 线 ,即 刚 度 有 很 大 变 化 的 连 接 形 式 。113 三 参 数 模 型由 Richard (1975) 3 提 出 、 后 经 Kishi (1990)
11、改进 的 三 参 数 模 型 :M = R ki1 + (0) n 1/ n(3)其 中 0 = M u/ R ki式 中 n 形 状 系 数 ,由 试 验 获 得 ;R ki 初 始 转 动 刚 度 ; 节 点 连 接 处 在 弯 矩 作 用 下 的 转 角 ;M u 极 限 弯 矩 承 载 力 。式 (3)取 不 同 的 形 状 系 数 得 到 的 计 算 曲 线 如 图1 所 示 。图 1 不 同 形 状 系 数 对 应 的 弯 矩 - 转 角利 用 三 参 数 公 式 可 以 很 方 便 并 较 为 准 确 地 进 行二 阶 非 线 性 分 析 ,但 其 对 于 曲 线 的 后 段 描
12、 述 能 力 较差 ,其 计 算 所 得 到 的 极 限 转 角 值 与 试 验 曲 线 后 段有 较 大 差 异 ,基 本 上 为 负 误 差 。现 有 的 这 些 模 型 都 能 较 好 地 描 述 后 段 较 为 平 滑的 M - 关 系 曲 线 ,例 如 外 伸 端 板 连 接 、 上 下 角钢 + 腹 板 角 钢 连 接 等 ;但 对 于 如 顶 底 角 钢 连 接 、 腹 板角 钢 连 接 等 刚 性 较 弱 的 连 接 形 式 ,它 们 的 M - 关系 曲 线 尾 部 有 突 变 的 连 接 ,用 以 上 各 式 来 描 述 连 接特 性 会 有 较 大 的 偏 差 ,因 此
13、对 于 采 用 顶 底 角 钢 连 接 、腹 板 角 钢 连 接 等 节 点 ,其 M - 关 系 特 性 曲 线 必 须采 用 另 外 的 公 式 来 描 述 。同 时 ,由 于 现 有 模 型 中 的 参 数 均 是 通 过 对 试 验曲 线 的 拟 合 或 对 试 验 结 果 进 行 回 归 分 析 得 到 的 ,一旦 连 接 的 参 数 发 生 改 变 ,由 这 些 公 式 得 到 的 M - 关 系 就 会 与 实 际 情 况 发 生 很 大 的 差 异 ,因 此 ,有 必 要就 计 算 模 型 中 参 数 的 确 定 提 出 新 的 计 算 方 法 。2 半 刚 性 连 接 M -
14、 关 系 的 新 模 型对 于 顶 底 角 钢 连 接 、 腹 板 角 钢 连 接 , Garlock(2003) 4 、 Abolmaali (1999 , 2003) 5 ,6 以 及 陈 爱 国(2003) 7 等 都 做 了 试 验 研 究 和 数 值 分 析 ,结 果 表 明这 种 以 往 工 程 中 认 为 是 铰 接 的 连 接 方 式 ,很 大 程 度上 呈 现 出 半 刚 性 性 能 ,同 时 通 过 对 这 些 试 验 所 得M - 关 系 曲 线 的 观 察 ,发 现 曲 线 会 在 尾 部 出 现 突变 ,在 外 形 上 更 接 近 于 对 数 函 数 曲 线 ,而 不
15、 像 外 伸 端板 连 接 、 上 下 角 钢 + 腹 板 角 钢 连 接 等 的 M - 关 系曲 线 在 尾 部 是 平 滑 的 。试 验 还 表 明 , M - 关 系 曲 线 与 其 达 到 极 限 承载 力 时 的 破 坏 模 态 有 着 密 切 的 关 系 ,同 一 种 连 接 形式 ,即 使 几 何 尺 寸 相 同 ,但 由 于 其 连 接 构 造 细 部 、 内力 分 布 状 态 等 影 响 因 素 不 同 ,也 会 产 生 不 同 的 破 坏模 式 ,即 极 限 弯 矩 承 载 力 M u 随 破 坏 模 式 的 不 同 而变 化 。本 文 提 出 了 一 种 新 的 适 用
16、 于 上 下 角 钢 连 接 、 腹板 角 钢 连 接 等 刚 性 较 弱 连 接 节 点 的 M - 关 系 ,具体 形 式 如 下 8 :M = M u mlg 1 + R ki - Rpm Mu + Rp (4)式 中 Rp 节 点 发 生 塑 性 变 形 时 的 转 动 刚 度 ,其 与 初 始 转 动 刚 度 成 正 比 ,即 Rp = R ki ;m 形 状 系 数 。此 种 连 接 曲 线 的 切 线 刚 度 为 :R kl = d Md = R ki - Rp1 + R ki - Rpm Mu+ Rp (5)3 初 始 刚 度 的 确 定311 顶 底 角 钢 连 接 初 始 刚 度
