浅析半刚性连接对钢框架稳定性的影响

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浅析半刚性连接对钢框架稳定性的影响

浅析半刚性连接对钢框架稳定性的影响摘要：简要介绍几种典型半刚性连接方式，给出相应的弯矩—转角曲线，分析半刚性连接的受力和变形特性，总结半刚性连接对钢框架稳定性的影响因素。

关键词：半刚性连接、弯矩—转角、稳定、刚度在现行钢结构的分析和设计中，为了简化计算，通常将钢框架梁柱节点简化为理想铰接或完全刚接。

事实上，钢框架梁柱之间的连接既非完全刚性，也非理想铰接，在荷载作用下连接通常表现出一定的柔性，因此连接就本质而言应属于半刚性。

考虑设计的简单和便捷，如果荷载作用下，连接的变形可以忽略时，则把连接简化为完全刚接，不会对框架的真实受力和变形带来较大的误差；同理，当连接的抗弯能力可以忽略，采用理想铰接模型则比较合理。

但当连接的刚度处于完全刚接和理想铰接之间时，就应采用能够明确计入连接柔性影响的更为实际的分析方法[1]。

连接的半刚性不仅改变钢框架梁-柱之间的弯矩分布，而且还会增加结构的水平位移，对结构的总体强度和稳定性造成较大的影响，因此对半刚性连接的特性需做深入的研究，以便在钢框架设计中按照实际的半刚性连接来考虑。

1 半刚性连接类型见下图[2]（1）顶底角钢连接(2)双腹板顶底角钢连接(3)双/单腹板角钢连接(4)短T型钢连接(5)外伸端板连接(6)平齐端板连接矮端板连接图一半刚性连接类型2 半刚性连接的受力性能及特性2.1 半刚性连接的受力性能以单跨梁作为分析对象分析半刚性链接的受力性能。

在均布荷载q的作用下，梁两端的连接分别是刚接、铰接和半刚性连接，梁的跨度为L。

按照结构力学的方法，刚接时梁端弯矩为qL2/12，跨中弯矩为qL2/24，跨中最大挠度为qL4/384EI；铰接时梁两端弯矩为0，跨中弯矩为qL2/8，跨中最大挠度为5qL4/384EI；半刚性连接时，梁两端弯矩为0＜M端＜qL2/12，跨中弯矩为qL2/24＜M中＜qL2/8，最大挠度为qL4/384EI＜fmax＜5qL4/384EI；也就是梁端弯矩、跨中弯矩及最大挠度的大小取决于半刚性连接的刚度。

半刚性连接钢框架稳定性分析

半刚性连接钢框架稳定性分析【摘要】伴随越来越多的高层建筑开始兴建，半刚性钢框架结构被广泛应用，针对该结构的分析研究也取得了一定的成果，实践研究证明半刚性连接的钢结构抗震性能相对较好，非常适合在工程建设中推广。

本文首先对半刚性连接做综合阐述，接着分析半刚性连接钢框架结构的内力，最后论证分析半刚性连接钢框架结构的稳定性，力争从合理设计角度与结构应用状态相融合方面提出一些策略建议，以期为相关领域的研究提供有价值的参考。

【关键词】半刚性连接；钢框架；稳定性引言随着建筑事业的不断发展，钢结构框架被广泛应用，钢框架结构强度较高，韧性很好，且重量也轻，其中连接梁、柱节点的连接主要类型为铰接、刚接，一般来看，连接转动接近理想刚接80%即视为刚接，当梁柱轴线夹角受力接近理想铰接90%即视为铰接，当然在实际操作中，绝大部分的连接节点基本在刚接与铰接之间，这就是我们研究的半刚性连接。

半刚性连接集合了理想刚接与理想铰接的特点，半刚性连接钢框架结构的稳定性会更高一些。

1994年美国加州出现大地震，次年日本阪神出现大地震，当时数千栋大楼倒塌，经过调查发现，采用焊接节点的建筑受损程度很重，梁柱螺栓连接的半刚性框架结构的建筑受损较轻，可见半刚性连接的钢框架结构动力荷载性能是强大的。

一、半刚性连接概述上个世纪30年代，建筑领域对半刚性连接钢框架进行的研究探索，40年后，随着高强螺栓的普及应用，半刚性连接被广泛接受。

目前西方一些发达国家允许设计单位考虑连接特性，即对刚接、铰接、半刚性连接做以选择，我国对梁柱节点的连接研究相对较晚，近年来对于半刚性连接认可度较高，使用程度也逐渐加深。

理想刚接与理想铰接二者之间的半刚性连接是目前钢框架结构应用的主要连接方式，半刚性的连接综合了刚接与铰接的特点，受外力作用表现韧性更好，有效承受一定的弯矩，相应出现转角，半刚性连接钢框架结构不能被简单理解为理想刚接或理想铰接，它是通过高强螺栓将梁与柱连接在一起，目前建筑中常见的连接类型主要有顶底角钢连接、外伸端板连接、短T型钢连接、双腹板角钢连接等。

连接的半刚性对钢框架结构动力性能的影响

ＨｉｉｕＸ－ｎｂｇ，Ｓｅｕｓｅｇ，ＳｕＸｎ－ｉ “ＺｅｅｇＣｌｅｆＣｉＥｇｅｉ，ｕｈＵｉｒｔｈｎｓ１８，ｈｎＰ－ｎｈｈｉｐｎｇｇ，ｈ－ｎ（ｏｅ＆ｎｉｅｎＨｎｎｅｉ，Ｃａｇｈ４０２ｆｌｏｌｎｒｇｃｇｖｓｙａ０
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钢框架梁柱弱轴半刚性连接性能研究

钢框架梁柱弱轴半刚性连接性能研究钢框架梁柱弱轴半刚性连接性能研究摘要：随着建筑结构的不断发展，钢结构在建筑领域中扮演着越来越重要的角色。

在钢结构中，连接是起到关键作用的构件之一，而连接的性能直接影响到整个结构的安全稳定性。

本文旨在对钢框架梁柱弱轴半刚性连接的性能进行研究，通过探讨连接构件的设计、材料选择和施工质量等方面，提高连接的性能。

1. 引言钢结构连接是将独立的构件以一定方式连接在一起，形成一个稳定的整体结构。

而在大多数钢结构中，连接处是最脆弱的部分，容易出现断裂和屈服等破坏。

因此，钢结构连接的性能研究至关重要。

2. 弱轴半刚性连接概述弱轴半刚性连接是一种常用的连接方式，在大跨度钢框架结构中得到广泛应用。

该连接方式的特点是在弯矩作用下，连接构件表现出较高的刚度，而在剪力作用下，连接构件则表现出较低的刚度。

3. 连接构件的设计连接构件的设计是保证连接性能的关键。

首先，选择适当的连接形式，如焊接、螺栓连接等。

其次，连接构件的截面尺寸和材料强度要能满足设计要求，并通过合理的弯曲刚度和扭转刚度来提高连接的变形能力。

4. 材料选择连接构件的材料选择直接影响连接的性能和稳定性。

材料的强度、韧性和抗疲劳性是衡量连接材料性能的重要指标。

同时，应考虑材料的可焊接性和耐蚀性等指标，在选择时综合考虑。

5. 施工质量控制连接在施工过程中需要严格控制施工质量，以确保连接的性能。

焊缝的质量是连接性能关键因素之一，应符合相关焊接规范和标准要求。

螺栓连接中，应严格控制螺栓的拧紧力矩，以确保连接构件间的紧固程度。

6. 弱轴半刚性连接的性能研究方法弱轴半刚性连接的性能研究可以通过理论计算和试验验证相结合的方式进行。

理论计算可以根据连接的力学模型，预测连接的耗能能力和变形能力。

试验验证可以通过更真实地模拟实际工况，验证连接的性能。

7. 结论钢框架梁柱弱轴半刚性连接作为一种常用的连接方式，对结构的安全性和稳定性至关重要。

本文通过对连接构件的设计、材料选择和施工质量控制等方面的研究，旨在提高连接的性能和稳定性。

半刚性连接刚框架力学模型分析

半刚性连接刚框架力学模型分析摘要：众所周知，节点的刚度影响着钢框架的结构性能。

要准确的确定节点的刚度值需要对节点采用复杂的数值模拟方法(如有限元)。

本文的主要目的是提出一个力学模型以分析节点刚度对框架性质的影响。

力学模型是基于用三个弹簧和一个不产生变形的节点模拟来描述相关节点和单元之间的平动位移和转动位移。

由此模型可以得到梁构件的刚度矩阵和受弯时的荷载向量。

本文举例说明了这种方法的简洁性和实用性。

关键词：刚接；半刚接；连接；计算模型；框架；塑性铰1.引言传统的钢结构分析和设计过程中，框架连接通常简化铰接或者刚接的。

理想的铰接意味着梁柱之间不传递弯矩，理想的刚接意味着连接该节点的构件之间不发生相互转动[1,2]。

但是，这两种情况是实际通常所用的大多数部分传递弯矩的连接的极端形式。

为评估框架的实际性能，有必要考虑连接柔度对框架性能的影响。

连接的柔度取决于紧固件的变形，连接的类型，它们的位置和连接构件的局部变形[7-9]。

连接细部构造涉及结构不同构件间的连接，因此，连接细部构造的任何改变都可能导致连接性质的明显变化[10-12]。

一些研究者如Kishi和Chen[9]收集了现有的实验结果并建立了钢结构连接的数据库，不但能提供给用户实验数据还能给出一些预测性的方程。

但是并不所有的结构工程师都可以接触到这些实验结果，并且当框架分析中连接的细部构造与现有的实验有明显的不同时，通过数据库得到的连接性质并不能正确的反映实际的连接。

De Lima[13]等人利用神经网络的概念来确定梁柱连接节点刚度的初始刚度。

但是这种方法使用范围有限，故作者并没有用实验数据对该方法的正确性加以验证。

Lopez[14]等人分析单层网格时基于数值模拟和实验结果建立了一种模型，该模型考虑了节点的刚度。

Del Savio等人也建立了半刚性连接节点的一种参数化的模型用来分析空腹梁。

梁柱连接实验结果[1,7,8,10_13,16]表明，在所有连接形式中，弯矩—转角关系都是呈非线性的并且随着连接刚度的变化而变化，两者的关系可用以下公式[17,18]表示：θ(1) =kMα由于有大量的参数影响连接的性质，故准确的模拟连接的性质就变得困难起来。

半刚性连接钢框架结构体系优化设计论文

半刚性连接钢框架结构体系优化设计论文半刚性连接钢框架结构体系优化设计研究【摘要】在钢框架设计中，梁柱节点的连接通常需要设计人员在进行具体设计前凭借自己以往的设计经验进行设定，这样设计的弊端在于连接形式的差异对框架结构造成的影响也存在差异性，由此导致框架的整体性能分析就存在不足。

为促进框架结构体系优化设计在实际的工程应用能够发挥其价值，因此在考虑框架整体体系的基础上，对半刚性连接钢框架结构体系优化设计方法的设计思路进行了深入分析，并对主动半刚性连接设计方法的作用进行了细致的探讨和阐述，希望能给同行提供一些参考。

在进行钢框架设计的过程中，通常会假设梁柱连接为完全的钢接或铰接。

但是在钢框架的实际施工中，往往发现钢实际的框架连接效果仅能在两个连接状态之间，在实践中梁柱节点既能够传递弯矩，在梁柱间又会出现一个相对的转角，达不到完全的刚性连接和铰接连接标准，因此将这种实际的刚连接状态称为半刚性连接。

在以往进行钢结构框架设计过程中，钢框架的初始结构体系会被预先进行固定，这样的设计模式没有对半刚性连接的差异对其所造成的框架结构力学性能影响的差异进行考虑，如果固定了框架结构体系的基础上再进行结构设计的工作，那么就难以结构的性能进行整体性的把握，最终的设计结构会存在一定的缺陷。

如今进行工程结构优化的发展已经逐渐成熟，传统的设计模式会因为实际应用中的缺陷被替代，本文结合实际，提出了有效的框架结构设计方法，能对结构优化设计起到的进步有推动作用。

二、主动半刚性连接设计1、主动半刚性连接设计的概念在进行钢结构连接设计时，常将框架的梁柱节点的连接假定成较为理想化的铰接和刚接，标准是当转动的约束只要达到理想化完全刚接的80%，那么可以将之视为刚接；而如果梁柱轴线夹角的变动幅度可以达到理想化完全铰接的90%，那么可以将之视为铰接。

因此，相对而言钢框架的半刚性连接设计就有其自身的特点，但在以往进行钢框架结构设计时，往往没有考虑到：如果钢结构的连接形式存在差异，那么半刚性本构模型就会相应的表现出差异特征，并且对框架结构造成的影响也存在差别。

半刚性连接对钢框架结构受力性能的影响

j= 1
EC
j
1 - e- | H| P( 2ja ) + M0 + Rkf | H |
式中 , M0 是曲线拟合的连接弯矩初始值 ; Rkf 是连接应变硬化刚度 ; A 是标量参数 , 用来保证数值稳定 ; Cj 是曲线回归分析得到的曲线拟合常数。这个模型在曲线拟合试验数据方面能够回避负刚度问题 , 并且极好地回避非线性的 M - H 特性。 31 5 幂函数模型 [ 2] Kishi 和 Chen( 1990) 提出一个幂函数模型 , 其形式为 : H= M Rki [ 1- ( M PMu ) n ] 1Pn
连接方式均布荷载 5 6
式中 , Rki 为初始连接刚度 ; Mu 为连接的极限弯矩承载力 ; n 为 M - H 曲线的形状参数。给节点施加弯矩 , 根据 M - H 关系可得相应的转角 , 此时的节点刚度 R 等于初始刚度 Rki , 因此 , 在弹性阶段就可以近似地用节点初始刚度 Rki 来模拟节点半刚性 , 用线性化的模型来代替非线性的 M - H曲线 [ 3] 。对于梁柱节点半刚性连接对刚架受力性能的影响 , 采用螺旋弹簧来考虑节点柔性对刚架结构的影响。对于任一梁单元 i ( 两端节点为 A, B) , 弹簧的相对转角 HrA 和 HrB 与弹簧刚度 R kA 和 RkB 与弯矩 MB 的关系为 : MA = RKA # HrA 4 MB = RKB # HrB 刚性连接与半刚性连接门式刚架的计算比较本例对一单层单跨的门式刚架进行计算和分析 , 来研究端板连接半刚性节点钢框架结构在竖向荷载作用下的受力性能。计算采用有限元软件 ANSYS 进行模拟和分析 , 梁柱均采用 BEAM3 单元 , 用 COMBINE14 单元模拟节点弹簧 , 计算模型见图 3, 梁柱连接按照半刚性连接进行处理。荷载作用及计算模型见图 3, 节点和梁的编号都在图中标出 , 梁柱连接中的端板厚度根据文献 [ 5] 的 71 21 9 公式计算采用 16m m, 端板为 16 @150 @394, 由文献 [ 7] 的 71 21 2 条计算 , 螺栓采用 81 8 级高强螺栓 , 直径为 16mm, 连接采用高强度螺栓摩擦型连接 , 螺栓间距为 120mm。柱脚采用刚性连接。梁柱节点连接的 M- H 模型采用 Kishi 和 Chen 提出的

钢框架半刚性连接研究与分析

钢框架半刚性连接研究与分析摘要：在钢结构设计与分析中，都将框架的梁柱连接节点设计成理想的铰接和刚接。

一般来说，连接对转动的约束达到理想刚接的80%时，就被视为刚接；但当梁柱轴线夹角的改变量在外力作用下达到理想铰接的90%时，即可被视为铰接。

所以，半刚性连接钢框架具有其自身的特点，不能简单地将其简化为理想刚接或铰接。

关键词：钢框架半刚性连接研究性能Abstract: in the steel structure design and analysis of the frame beam-column connection will be joint design ideal of a hinged and just answer. Generally speaking, the connection to the constraints of turning to achieve the ideal just answer 80%, will be seen as just answer; But when the beam axis Angle of change under external force to achieve the ideal of hinged 90% when, can be regarded as hinged. So, semi-rigid connection steel frame has the characteristics of its own, and can’t simply it is reduced to ideal just answer or hinged.Keywords: steel frame semi-rigid connection research performance引言在钢框架设计中,一般假定梁柱连接是完全刚性或完全铰接。

然而无论是在钢框架的施工,还是试验中,各国的学者们都越来越发现实际的钢框架连接方式往往介于两者之间,既不是完全刚性连接,又不是完全铰接连接,呈半刚性连接方式。

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浅析半刚性连接对钢框架稳定性的影响
摘要：简要介绍几种典型半刚性连接方式，给出相应的弯矩—转角曲线，分析半刚性连接的受力和变形特性，总结半刚性连接对钢框架稳定性的影响因素。

关键词：半刚性连接、弯矩—转角、稳定、刚度
在现行钢结构的分析和设计中，为了简化计算，通常将钢框架梁柱节点简化为理想铰接或完全刚接。

事实上，钢框架梁柱之间的连接既非完全刚性，也非理想铰接，在荷载作用下连接通常表现出一定的柔性，因此连接就本质而言应属于半刚性。

但当连接的刚度处于完全刚接和理想铰接之间时，就应采用能够明确计入连接柔性影响的更为实际的分析方法[1]。

1 半刚性连接类型
见下图[2]
（1）顶底角钢连接(2)双腹板顶底角钢连接(3)双/单腹板角钢连接
(4)短T型钢连接(5)外伸端板连接(6)平齐端板连接
矮端板连接
图一半刚性连接类型
2 半刚性连接的受力性能及特性
2.1 半刚性连接的受力性能
以单跨梁作为分析对象分析半刚性链接的受力性能。

在均布荷载q的作用下，梁两端的连接分别是刚接、铰接和半刚性连接，梁的跨度为L。

按照结构力学的方法，刚接时梁端弯矩为qL2/12，跨中弯矩为qL2/24，跨中最大挠度为
qL4/384EI；铰接时梁两端弯矩为0，跨中弯矩为qL2/8，跨中最大挠度为5qL4/384EI；半刚性连接时，梁两端弯矩为0＜M端＜qL2/12，跨中弯矩为qL2/24＜M中＜qL2/8，最大挠度为qL4/384EI＜fmax＜5qL4/384EI；也就是梁端弯矩、跨中弯矩及最大挠度的大小取决于半刚性连接的刚度。

2.2半刚性连接的特性
半刚性连接M—θ曲线的特性
所有半刚性连接的M—θr曲线，均处于理想刚接（竖轴）和理想铰接（水平轴）之间。

弯矩相同时，连接的柔性愈大，θr值愈大。

反之，对于指定的θr值，柔性大的连接就在相邻的连接间传递的弯矩少。

M—θr关系曲线在加载过程中呈现出明显的非线性特性。

在M—θr曲线中切线斜率逐步减小，即连接的初始刚度Rki大于切线刚度Rkt。

连接的极限弯矩承载力在较为柔性的连接中降低。

图二半刚性连接弯矩转角曲线
一般来讲引起半刚性连接非线性特性的因素有很多，主要是由其构造所决定的。

主要因素
（a）连接组合的材料本身不连续，螺栓、型钢等组成连接，且它们之间存在缝隙，这就导致在不同加载阶段，各组件之间会产生滑移和错动。

（b）在加载过程中由于应力分布不均比较严重，所以会引起节点组件的局部屈曲。

（c）组件因承受集中应力导致应变分布不均匀。

图三半刚性连接的弯矩转角特性
（d）梁柱连接处腹板的的局部屈曲。

（e）在外荷载影响下整体的几何变形。

对半刚性连接确定合适的连接刚度是至关重要，一般不宜采用初始连接刚度作为连接的刚度值，因为初始连接刚度是连接刚度的上限。

由于连接的非线性，在加载过程中连接的刚度会小于初始刚度，这样就偏于不安全。

3半刚性连接对钢框架稳定性影响
梁柱间连接为半刚性，则梁柱间的转角不再相同，即截面斜率不再连续，假定在梁柱间加上一个螺旋弹簧，假设该弹簧的转动刚度为，取为连接的弯矩—转角曲线与梁线的交点处的割线刚度。

框架侧移失稳
设柱端产生转角，柱端转角为，且，梁端转角为且螺旋弹簧的转角为且，则三者的转角关系如下
(1)
按照结构力学可知梁端弯矩为
已知转动弹簧的弯矩与相同，弹簧的转角为，代入（1）式得
因为因此
因此只要将梁的线刚度乘以折减系数
即为考虑半刚性连接对框架有侧移失稳的影响。

无侧移失稳
设柱端产生转角且，梁端转角为且，螺旋弹簧的转角为，且
则三者的转角关系如下（2）
按照结构力学可知梁端弯矩为
转动弹簧的弯矩与相同，弹簧的转角为，代入（2）式得
因为，因此
为考虑半刚性连接刚度对钢框架无侧移失稳的影响。

4结论
设计时考虑梁柱连接的半刚性是非常有必要的，因为连接的半刚性使得梁的弯矩和挠度不像铰接和刚接那么极端。

而且半刚性连接施工方便，构造简单。

但是由于影响Kz的因素比较多，确定Kz就比较繁琐，需要大量的试验数据去拟合和精度较高的弯矩—转角曲线，半刚性连接降低了梁柱的稳定性，设计时应予以考虑。

参考文献
[1]陈惠发.钢框架稳定设计.上海世界图书出版公司.2001.264~268.388~395
[1]王新武.钢框架半刚性连接性能要求，武汉理工大学学报2002.11.第24期
[3]童根树.钢结构设计方法.中国建筑工业出版社.2007.105~107
[4]陈绍蕃.钢结构稳定设计指南.2004.116~125
作者简介：梁志鹏（1987—）,男，河北临漳县人，硕士，主要研究钢结构基本理论及应用。