刚性-半刚性混合节点钢框架性能的初步研究
第１１卷第２期 ２０１１年６月 徐州建筑职业技术学院学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＸＵＺＨＯＵ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＡＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖ０１．１ｌ№．２ Ｊｕｎ．２０１１
刚性一半刚性混合节点钢框架性能的初步研究
宋广文，夏军武
（中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏徐州２２１００８）
摘 要：基于钢框架ＡＮＳＹＳ有限元模型，对刚性、半刚性节点钢框架和刚性一半刚性混合节点钢
框架在静载和动载下的受力与变形进行了对比分析，得出：刚性一半刚性混合节点钢框架在风载作 用下的侧移量较接近于刚性框架；在地震作用下其各层的位移规律明显好于刚性框架，幅值介于
刚性和半刚性框架之间，基本呈收敛状态．
关键词：钢框架；刚性；半刚性；混合节点框架 中图分类号：ＴＵ ３９１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—８９９２（２０１１）０２—００２４—０３
Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ
Ｒｉｇｉｄ＿－Ｓｅｍｉｒｉｇｉｄ Ｊｏｉｎｔｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｆｒａｍｅ
ＳＯＮＧ Ｇｕａｎｇ一叫 ７２。Ｘ Ａ Ｊ ｕｎ—ｗｕ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２２１００８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｔｅｅｌ ｆｒａｍｅ ＡＮＳＹＳ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｃｏｍｐａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ
ｆｏｒｃｅｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｒｉｇｉｄ，ｓｅｍｉ—ｒｉｇｉｄ ａｎｄ ｒｉｇｉｄ—ｓｅｍｉｒｉｇｉｄ ｊｏｉｎｔｅｄ ｓｔｅｅｌ ｆｒａｍｅｓ ｕｎｄｅｒ ｓｔａｔｉｃ
ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｌｏａｄｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌａｔｅｒａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｒｉｇｉｄ—ｓｅｍｉｒｉｇｉｄ ｊｏｉｎｔｅｄ ｓｔｅｅｌ ｆｒａｍｅ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ ａｐｐｒｏａｃｈｅｄ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ｒｉｇｉｄ ｓｔｅｅＩ ｆｒａｍｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｗｉｎｄ—ｌｏａｄ ｅｆｆｅｃｔ。ｗｈｉｌｅ
ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｌａｗｓ ｏｆ ｉｔｓ ａｌｌ ｌａｙｅｒｓ ｗｅｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｍｏｒｅ ｓｕｐｅｒｉｏｒ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｉｇｉｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅｓ ｌｙｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｒｉｇｉｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｍｉ—ｒｉｇｉｄ ａｎｄ ｂａ—
ｓｉｃａｌｌｙ ｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ ｆｒａｍｅ；ｒｉｇｉｄ；ｓｅｍｉ—ｒｉｇｉｄ；ｍｉｘｅｄ ｎｏｄｅ ｆｒａｍｅ
在传统的结构分析和设计方法中，往往把梁柱 连接节点处理成理想的刚接或铰接．然而，在实际 工程中，梁柱连接节点的受力性能总是介于这两者
之间．梁柱不仅要承受一定的弯矩，而且在弯矩作
收稿日期： 基金项目：
作者简介： Ｅ—ｍａｉｌ： ２０Ｕ一０３一ｌ２ 国家自然科学基金资助项目（５０７７４０８１），教育部新世 纪人才支持计划（ＮＣＥＴ～０７—０８０４）和“十一五”国 家科技支撑计划重点资助项目（２００６ＢＡＪ１４Ｂ０７、 ２００６ＢＡＪ０５Ａ０８） 宋广文，男，山东济宁人，硕士研究生． ｓｇｗ１３４６５４７７８８９＠１２６．ＣＯＩＴＩ 用下将产生变形．因此，严格说应将其视为半刚性 连接．一般认为，只有当连接转动约束达到理想刚
接的９Ｏ 时，可认为是刚接；当梁柱轴线夹角达到 理想铰接的８０ 以上时，可认为是铰接；介于两者 之间则为半刚性连接ｌ＿１］．刚性节点框架在静荷载作 用下的抗变形能力较强，但在动荷载作用下的受力 和变形不尽合理，而半刚性节点框架则反之＿２‘。］．以
往的研究多集中于全刚性节点框架和全半刚性节
点框架，对两者混合框架的性能研究甚少．鉴于此， 本文通过ＡＮＳＹｓ分析软件将刚性节点钢框架、半刚
性节点钢框架和刚性一半刚性混合节点钢框架在静载 第２期 宋广文，等：刚性一半刚性混合节点钢框架性能的初步研究 ２５
和动载作用下的受力和变形进行对比，并对钢性一半
钢性混合节点钢框架性能进行相关的分析探讨．
１钢框架有限元模型
本文对一榀６层３跨的钢框架进行有限元分
析．钢梁和钢柱均采用Ｐ４８×３．５钢管，钢密度为
７ ８５０ ｋｇ／ｍ。；泊松比为０．３．柱距均为７．２ ｍ，层高 均为３．６ ｍ．６层框架结构有限元模型如图１所示．
框架的梁柱节点连接分成以下３种形式：（１）梁 柱节点均采用刚性连接（如图１ａ所示）；（２）梁柱
节点均采用半刚性连接，节点平面内转动刚度为 ２０ ｋＮ・ｒｎ／ｒａｄ（￣Ｈ图１ｂ所示）；（３）该框架的中间跨
的梁柱节点接连均采用半刚性连接，节点平面内转 动刚度同为２０ ｋＮ・ｍ／ｒａｄ，其余梁柱节点连接均
采用刚性连接（如图１ｃ所示）．３种不同连接形式的 框架均不考虑平面外自由度．
（ａ） （ｂ） （ｃ）
图１有限元分析模型 Ｆｉｇ．１ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌ
２框架单元选取及加载
在有限元分析中，梁柱均采用Ｂｅａｍ３梁单元． 选用梁单元Ｂｅａｍ３是考虑了轴向变形的平面梁元
在每一个节点上有３个自由度（即沿着坐标Ｘ、ｙ轴
方向的平动自由度，以及绕着Ｚ轴旋转的转角自由 度）．利用该单元可以模拟各种平面框架、多跨连续
梁等平面梁系结构．对于梁柱半刚性节点均采用 Ｃｏｍｂｉｎｌ４弹簧单元，此单元有径向和扭转的性能，
可用于一维、二维、三维分析 ］．框架各跨各层梁上
作用的竖向均布荷载均为３２．５６ ｋＮ／ｍ，框架顶层
节点自左向右作用的集中竖向荷载分别为１５０ ｋＮ、
３００ ｋＮ、３００ ｋＮ、１５０ ｋＮ． 本文仅考虑风荷载作用，取基本风压值 。
为０．２５ ｋＮ／ｍ ，建筑物体形系数 为１．０，各层的
高度变化系数 按有关规范计算，最终算得各层节
点上的集中荷载（见表１）．利用ＡＮＳＹｓ的瞬态分
析模拟地震波，输入３种不同连接方式的建筑结构 动力响应过程后，采取一条历时３ Ｓ的人工地震 波…进行结构动力时程分析．Ｘ轴方向地震加速度
峰值为７０ ｇａ１．
表１在各层作用的风荷载集中力 Ｔａｂ．１ Ｗｉｎｄ－ｌｏａｄ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｆｏｒｃｅｓ ｏｎ ｖａｒｉｏｕｓ ｌａｙｅｒｓ
层数 １ ２ ３ ４ ５ ６ 风载集中力／ｋＮ
３计算结果分析
３．１风载作用下的内力范围及最大侧移
在风载作用下３种框架的各构件的内力范围 及最大侧移量见表２．
表２ ３种框架在风载作用下的内力范围及最大侧移量 Ｔａｂ．２ Ｅｎｄｏｇｅｎｅｔｉｃ ｓｃｏｐｅｓ ａｎｄ ｍａｘｉｍｕｍ ｌａｔｅｒａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｓｔｅｉｌ ｆｒａｍｅｓ ｕｎｄｅｒ ｗｉＩ１ｄ ｌｏａｄ
刚性一半钢性混合框架与刚性框架相比，虽然在
风载作用下的最大弯矩相差不大，但对于全刚框架来 说，其弯矩较大的部分出现在框架的每一跨中；而对
于混合框架，其最大弯矩仅出现在边跨中，且混合框
架的侧移量较接近于刚性框架而远小于半刚性框架， 因而保证了结构的实用性．同时３种框架风载作用下
的轴力相差不大且分布形式也大致相同．这说明混合 框架在风载作用下的力学特性更具优势． ３．２地震荷载作用下的时程分析
本文以地震荷载作用下框架各层随时间的位
移量来考察框架的抗震性能．在地震作用下，３种框 架各层随时间的位移如图２，图３，图４所示．
鲁 ＼ 趔
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０ ０．４ ０．８ １．２ １．６ ２．０ ２．４ ２．８ ３．２ ３．６ ４．ｃ 时间ｔ／ｓ 图２在地震荷载作用下刚性框架各层随时间的位移 Ｆｉｇ．２ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｌａｙｅｒｓ ｏｆ ｒｉｇｉｄ ｓｔｅｅｌ ｆ ａｍｅ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ｕｎｄｅｒ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｌ
ｏａｄ ２６ 徐州建筑职业技术学院学报 第ｌ１卷
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０ ０．４ ０．８ １．２ １．６ ２．０ ２．４ ２．８ ３．２ ３．６ ４．０ 时间ｔ／ｓ
图３在地震荷载作用下半刚性框架各层随时间的位移 Ｆｉｇ．３ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｌａｙｅｒｓ ｏｆ ｓｅｍｉ—ｒｉｇｉｄ ｓｔｅｅｌ ｆｒａｍｅ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ｕｎｄｅｒ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｌｏａｄ
量 ＼ ｛磐 渣 隧
０ ０．４ ０．８ １．２ １．６ ２．０ ２．４ ２．８ ３．２ ３．６ ４．０ 时间ｔ／Ｓ
图４ 在地震荷载作用下刚性一半刚性框架各层随时间的位移 Ｆｉｇ．４ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｌａｙｅｒｓ ｏｆ ｒｉｇｉｄ－ｓｅｍｉｒｉｇｉｄ ｊｏｉｎｔｅｄ ｓｔｅｅｌｆｒａｍｅｗｉｔｈｔｉｍｅｕｎｄｅｒ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ
对比图２，图３，图４可以看出，刚性框架在地震 荷载作用下各层的位移规律性很差且幅值较大，这
样会造成各构件的受力不合理；半刚性框架在地震 荷载作用下的各层位移则很有规律，呈简谐波形
式，虽然其各层的位移随时间收敛和放大各不一 致，但幅值较小，体现了半刚性框架的抗震优越性；
刚性一半刚性混合节点框架的各层随时间位移的规 律性明显好于刚性框架，幅值介于刚性框架和半刚 性框架之间，且基本呈收敛状态．
４ 结论
（１）由于半刚性连接节点考虑了内力重分配，
能够充分发挥材料强度，因而使设计较为经济合 理．采用半刚性连接钢框架通常比刚接费用少，施
工简便；与铰接相比，能有效降低梁的高度，增加建 筑净空Ｌ５］，且抗震效果较好．但其在正常使用状态
下的变形量较大，若设置较多支撑无疑会提升高建
筑成本和增加施工难度． （２）刚性框架的抗震性能差，施工难度高，但在 正常使用荷载作用下的变形量较小．因此可以考虑
与半刚性节点混用，以使结构受力较刚接框架更为 合理，提高其抗震性能并使之达到正常使用要求．
（３）对于混合框架来说，刚接和半刚接节点的
布置位置和数量尚需进一步优化，这方面有待于进
一步研究．
参考文献：
［１］李国强，石文龙，王静峰．半刚性连接钢框架结构设计
［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００９．
［２］马翠玲，孙颂旦，华建兵，等．半刚性连接框架的时程
分析［Ｊ］．合肥学院学报，２０１０，２０（２）：４０—４３．
［３］ 桂韬．半刚性连接框架结构变形分析［Ｊ］．山西建筑，
２０１０，３６（１８）：６６—６７．
［４］ 尚晓江，邱峰，赵海峰．ＡＮＳＹＳ结构有限元高级分析
方法与范例应用［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，
２００８．
［５］巢沧海，刘秀华．水平荷载作用下半刚性连接组合梁
连接的半刚性对钢框架结构动力性能的影响
第２８卷第６期 ２００６年ｌ２月 工程抗震与加固改避 Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｒｅｔｒｏｆｉｔｔｉｎｇ Ｖ０１．２８．Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．２００６
［文章编号】１００２—８４１２（２００６｝０６—００３０—０４
连稿昀半刚畦对钢框架结构动力性眭帕影响
胡习兵，沈蒲生，舒兴平，刘哲锋（湖南大学土木工程学院，湖南长沙４１００８２）
［摘要］用两端带转动弹簧的杆单元代替一般的杆单元，提出了一种新的平面杆系钢结构动力分析计算模型。通过对杆 单元的转角位移方程进行修正，推导了这种计算模型的结构刚度矩阵，提出了钢框架结构弯剪型层模型考虑杆端转角后的结
构侧移刚度计算方法，分析了连接的半刚性对钢框架结构动力性能的影响。算例结果表明：连接的半刚性对结构动力性能的
影响非常大，不容忽视。 ［关键词］ 钢结构；半刚性连接；动力性能；杆单元；转动弹簧
［中图分类号］ＴＵ３９１ ［文献标识码】 Ａ
Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｓｅｍｉ—ｒ￣ｇｉｄ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ Ｆｒａｍｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ
Ｈｕ Ｘｉ－ｂｉｎｇ，Ｓｈｅｎ Ｐｕ－ｓｈｅｎｇ，Ｓｈｕ Ｘｉｎｇ－ｐｉｎｇ， “Ｚｈｅ－ｆｅｎｇ（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＣ＆ｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎｃｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８２，
Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐｌａｎｅ ｓｔｅｅｌ ｂａｒ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｂｙ ｒｅｐｌａｃｉｎｇ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｂａｒ ｅｌｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ａ ｎｅｗ ｏｎｅ。ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｔｗｏ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｐｒｉｎｇｓ ａｔ ｉｔｓ ｅｎｄｓ．Ｒｅｖｉｓｅｄ ｉｔｓ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｅｑｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｍａｔｒｉｘ ｏｆ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｄｅｒｉｖｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｆｒａｍｅ ８ｔｒｕｅｔｕｒｅｓ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｔｈｅ
半刚性连接对钢框架受力性能的影响
半刚性连接对钢框架受力性能的影响
【摘 要】采用有限元软件ANSYS对两层和三层的两个单跨钢框架模型分别进行静力、特征值屈曲和模态分析，研究节点半刚性连接钢框架在外荷载作用下的性能，通过与相应的刚性连接钢框架比较，得出半刚性连接对结构内力、位移、稳定性和周期产生的影响。最后，为使结构设计更合理并与结构实际状态更相符而提出了一些结论和建议。
【关键词】半刚性连接；半刚性钢框架；内力；位移；稳定；周期
Effect of Semi-rigid Connection on Performance of Steel Frame
FENG Dong-hai ZHU Lian-jun
（Design and Research Institute of Zhengzhou Transit， China Railway
Engineering Design and Consultant Group Co.， Ltd.， Zhengzhou Henan， 450000）
【Abstract】With the finite element analysis software of“ANSYS”， one-bay
two-floor and three-floor steel frames with semi-rigid connections were analyzed by
static analysis，eigen buckling annalysis and modal analysis.The behaviors of internal
forces， displacement， stability and period with different rotational stiffness of
semi-rigid steel frame were discussed. By comparison with the behaviors of relevant
【钢结构研究】中美欧各国规范关于梁柱节点的规定
1刚接或半刚接节点
1.1欧洲规范（EN1993-1-8，5.2.2.5,54页）
梁柱节点：对于框架支撑结构，当支撑体系可减少至少80%结构水平侧移时，初始连
接转动刚度不小于8倍梁线刚度视为刚接节点；对框架结构，初始连接转动刚度不小于25
倍梁线刚度视为刚接节点，欧洲标准定义刚性节点的依据是节点承载力与理想刚性节点相
比下降不超过5%；初始连接转动刚度在0.5到25倍梁线刚度之间（开区间）视为半刚
接，但是当框架梁柱线刚度比小于0.1时，即使满足初始连接转动刚度不小于25倍梁线刚
度这一条件，亦视为半刚接节点。
柱脚：满足以下条件时柱脚可视为刚接：
其中 为假设柱子梁端铰接的柱子长细比。
1.2美国规范
对刚性（FR）和半刚性（PR）节点，美国规范AISC360-10B章、J章仅给出了定性规
定，规定刚性节点应有足够强度和刚度在承载力极限状态维持节点处角度，而柔性节点
（simple connections）应几乎不传递弯矩，并有设计所要求的转动能力。
AISC341-16按不同结构形式分别给出了连接要求，对于钢板剪力墙结构边缘构件的连
接，规范指出应满足框架结构（moment frame system）的连接要求，采用FR或PR连接形
式。
对FR连接，规范规定（AISC341-16第E章6b节，34页）刚性连接应满足传递弯矩和
剪力的强度要求，并应考虑超强系数和硬化，按下式计算：
对于弯矩：≥∙/
Ry取值为1.1，取值为1.0（LRFD设计法）或1.5（ASD设计法）；Mp
对于剪力：≥
Lcf为梁净跨。
对PR连接，规范规定（AISC341-16第E章6b节，35页）半刚性连接应满足传递弯矩
和剪力的强度要求，并在设计时考虑刚度和变形能力，包括对结构整体稳定性的影响。
对于弯矩：连接的名义抗弯强度（nominal flexure strength of connection）不应低于梁
半刚性连接钢框架的时程分析
仑肥学院学粮（自然科学版） ２０１０年５月第２０卷第２期 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ） Ｍａｖ ２０１０ Ｖｏ１．２０ Ｎｏ．２
半刚性连接钢框架的时程分析
马翠玲 ，孙颂旦 ，华建兵 ，孙爱琴
（１．合肥学院建筑工程系，合肥２３００２２；２．宣城柏庄置业有限公司，安徽宣城２４２０００）
摘要：为了探讨不同梁柱节点钢框架抗震性能的差别，通过ＡＮＳＹＳ分析软件，对结合工程实际设计的１０个系 列共５０个有限元试件进行时间历程分析，来探讨框架层数、框架跨数，尤其是梁柱连接节点的转动刚度等参数 对钢框架抗震性能的影响．分析表明：半刚性钢框架结构在地震荷载作用下具有良好的抗震性能． 关键词：半刚性钢框架；地震荷载；有限元；时程分析 中图分类号：ＴＵ３９１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—１６２Ｘ（２０１０）Ｏ２—００４０—０４
Ｔｉｍｅ－・ｈｉｓｔｏｒｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｅｍｉ－－ｒｉｇｉｄ Ｓｔｅｅｌ Ｆｒａｍｅｓ
ＭＡ Ｃｕｉ—ｌｉｎｇ ，ＳＵＮ Ｓｏｎｇ－ｄａｎ ，ＨＵＡ Ｊｉａｎ－ｂｉｎｇ ，ＳＵＮ Ａｉ—ｑｉｎ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３００２２； ２．Ｘｕａｎｃｈｅｎｇ Ｂａｉｚｈｕａｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｘｕａｎｅｈｅｎｇ，Ａｎｈｕｉ ２４２０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｓｅｍｉ—ｒｉｇｉｄ ｓｔｅｅｌ ｆｒａｍｅｓ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎ １０ ｓｅｒｉｅｓ（ａｌｔｏｇｅｔｈｅｒ ５０）ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｔｉｃ ｍｏｄｅｌｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｔｉｍｅ—ｈｉｓｔｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｒａｍｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｅｍｉ—ｒｉｇｉｄ ｓｔｅｅｌ ｆｒａｍｅｓ， ｔｈｅｓｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎｃｌｕｄｅ ｔｈｅ ｆｒａｍｅ’Ｓ ｆｌｏｏｒ ｎｕｍｂｅｒ，ｔｈｅ ｆｒａｍｅ’Ｓ ｓｐａｎ ｎｕｍｂｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒａｍｅ’Ｓ ｄａｍｐ， ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ ｂｅａｍ－ｔｏ—ｃｏｌｕｍｎ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｆｒａｍｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｅｍｉ－ｒｉｇｉｄ ｓｔｅｅｌ ｆｒａｍｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｓｅｉｓｍｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｓｅｉｓｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｅｍｉ—ｒｉｇｉｄ ｓｔｅｅｌ ｆｒａｍｅ；ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｌｏａｄ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ；ｔｉｍｅ—ｈｉｓｔｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ
顶底角钢半刚性连接钢框架柱计算长度系数研究
科研开发 顶底角钢半冈ＩＪ性连接钢框架柱 计算长度系数研究＊ 赵建邵永松 （哈尔滨工业大学土木工程学院 哈尔滨 １５００９０） 摘要柱计算长度法是钢框架稳定设计的常用方法，顶底角钢连接梁柱节点是一种典型的半刚性粱柱节点。采 用抗弯弹簧模拟梁柱节点连接的半刚性，考虑梁柱间的相对转角关系，通过引入梁柱线刚度比修正系数的计算方 法，得到顶底角钢半刚接钢框架柱计算长度系数的修正公式。 关键词 项底角钢连接半刚性钢框架计算长度 ＴＨＥ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ｏＮ ＥＦＦＥＣＴｌＶＥ ＬＥＮＧＴＨ ＦＡＣＴｏＲ ｏＦ ＣＯＬＵＭＮＳ ＩＮ ＴＯＰ ＡＮＤ ＳＥＡＴ ＡＮＧＬＥ ＳＥＭＩ—ＲＩＧＩＤ ＣｏＮＮＥＣＴＥＤ ＳＴＥＥＬ ＦＲＡＭＥＳ Ｚｈａｏ Ｊ Ｊａｎ Ｓｈａｏ Ｙｏｎｇｓｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｈａｒｂｉｎ １ ５００９０） ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｌｅｎｇｔｈ ｉｓ ａｎ ｕｓｕａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｓｔｅｅｌ ｆｒａｍｅｓ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄ ｔｏｐ ａｎｄ ｓｅａｔ ａｎｇｌｅ ｎｏｄｅ ｉｓ ａ ｔｙｐｉｃａｌ ｓｅｍｉ—ｒｉｇｉｄ ｎｏｄｅ．Ｔｈｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｆａｃｔｏｒ ｆｏｒｍｕｌａｓ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｔＯ ｔｈｅ ｔｏｐ ａｎｄ ｓｅａｔ ａｎｇｌｅ ｓｅｍｉ ｒｉｇｉｄ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｓｔｅｅｌ ｆｒａｍｅｓ，ａｒｅ ｄｅｒｉｖｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｆａｃｔｏｒ，ｔｈｅ ｓｅｍｉ—ｒｉｇｉｄ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ａ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｐｒｉｎｇ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ ｔｏｐ ａｎｄ ｓｅａｔ ａｎｇｌｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｓｅｍｉ— ｒｉｇｉｄ ｓｔｅｅｌ—－ｆｒａｍｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｌｅｎｇｔｈ 目前设计钢框架结构时，计算柱子的稳定性是 钢框架稳定设计的常用方法，即：将钢框架稳定问题 简化为确定柱子计算长度的问题。而钢框架柱的稳 定承载力设计计算公式直接取决于它的计算长 度 一 。 节点作为结构中传力单元，在整个结构中具有 举足轻重的作用，节点的性能直接对结构的整体性 能产生影响。刚性连接可以传递轴力、弯矩和剪力， 而铰接不能够传递弯矩，半刚性连接可以传递剪力 和部分弯矩。《钢结构设计规范》（ＧＢ ５００１７— ２００３）未对具有半刚性连接约束的受压构件的计算 长度给出明确计算方法，对半刚性节点的分类标准 也没有给出明确划分方法，顶底角钢连接是钢框架 中较为常用的一种连接方式，本论文将建立顶底角 钢半刚性连接钢框架柱计算长度系数的修正公式。 １ 顶底角钢半刚性连接梁柱节点刚度 为了分析问题方便，通常用梁两端带抗弯弹簧 来模拟节点的半刚性，弹簧刚度为节点初始刚度 。 Ｈｅｃｈｔｍａｎ和Ｊｏｈｎｓｔｏｎ等的试验结果已经证实，顶 底角钢半刚性连接梁柱节点破坏时，绕底角钢的一 个临界点转动（图１），而顶角钢则为梁端弯曲提供 抗力Ｌ５］。由以上观察到的试验结果，在确定角钢受 拉刚度时，作如下假设：１）连接转动中心位于底部角 钢水平肢中心；２）与柱连接的角钢肢为线弹性受力， 与梁连接的角钢肢的受力视为刚体；３）顶角钢犹如 一悬臂梁，假定其固定支点位于与柱翼缘相连的受 拉螺栓螺帽边缘。 根据这些假定并考虑顶角钢肢的剪切变形，与 翼缘力Ｆ相应的顶角钢底面的水平位移△可表示 为剪切变形与弯曲变形之和的形式，即： △一是ｆ ｏ 蚪ｊ’ ｄ．ｚ一 —ｋＦ—ｇ１＋ Ｖｇｌ （１） ＧＡ。３ＥＩ … ＊黑龙江科技学院青年教师基金项目（０７—０９）。 第一作者：赵建男１９７８年１月出生黑龙江科技学院讲 师硕士研究生 Ｅｍａｉｌ：ｆｅｎｇ０１２５＠１６３．ｃｏｒｎ 收稿日期：２００８—０５—１０ １０
半刚性节点钢框架-十字加劲钢板剪力墙结构的数值分析
第４４卷第２期 ２０１２年４月 西 安 建 筑 科技 大 学 学 报（自然科学版） Ｊ．Ｘｉ ａｎ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ａｒｃｈ．＆Ｔｅｃｈ．（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖ０１．４４ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１２
半刚性节点钢框架一十字加劲钢板
剪力墙结构的数值分析
郝际平，于金光，王先铁，郭宏超，虎 奇
（西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安７１００５５）
摘要：为了研究半剐性节点钢框架一加劲钢板剪力墙结构体系的抗震性能和传力机理，模拟实际框剪结构的 底部两层，对一榀单跨两层１／３缩尺半刚性节点钢框架一十字加劲钢板剪力墙结构进行了抗震拟静力试验研 究，在试验模型的基础上，建立了非线性有限元模型，并验证了模型的有效性．考虑影响结构抗震性能的４个 主要因素：节点刚度、剪力墙厚度、框架柱的刚度、肋板刚度比，进行了４个系列１６个有限元模型的变参数分 析．结果表明：降低节点刚度有利于提高结构的延性和耗能能力；增加柱的刚度和肋板厚度可提高结构的初始 刚度、承载力和延性性能；增加内填墙板的厚度，将降低试件的延性性能；内填墙板在加载初期非常有效，承担 ７Ｏ ～８５％的水平剪力，研究为该种结构体系的工程应用和理论分析提供依据． 关键词：钢框架；半刚性节点；钢板剪力墙；十字加劲；滞回曲线；数值模拟；非线性有限元 中图分类号：ＴＵ ３９２．４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００６—７９３０（２０１２）０２—０１５３—０６
通过对半刚性框架一薄钢板剪力墙的研究发现＿１ ］，薄板墙存在以下问题：屈曲时伴随类似击鼓的响
声，且产生较大的面外变形，此意味着在较大风荷载或地震作用过程中，舒适度不理想，使用性欠佳；薄
钢板屈曲后形成拉立场效应会对边柱产生较大的附加弯矩，增加了柱的稳定负担，且滞回曲线有不同程 度的捏缩现象，限制了其实际工程中的推广应用．针对上述缺点，为延缓薄钢板屈曲，规避厚板墙用钢量
大的缺陷，可通过合理的加劲肋设置，提高薄板的弹性刚度，克服滞回曲线出现的捏缩现象，降低钢板类 鼓击噪声及震颤．本文在拟静力抗震试验研究的基础上，对半刚性连节点框架一十字加劲钢板剪力墙结
浅谈钢框架结构的半刚性连接
第３２卷第５期 ２ ０ ０ ６年３月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴ ＿ｒＵＲＥ ＶｏＩ．３２ Ｎ０，５ Ｍａｒ ２００６ ・５７・
文章编号：１００９．６８２５（２００６）０４．００５７．０３
浅谈钢框架结构的半刚性连接
叶汉成
摘要：对钢框架结构半刚性连接的判定准则、连接类型、受力性能以及连接模型进行了系统介绍，指出在钢框架的设计
分析过程中，应考虑节点半刚性的影响。 关键词：钢框架，半刚性连接，受力性能，连接模型
中图分类号： ｒＵ３７５．４ 文献标识码：Ａ
钢框架是现代多高层建筑钢结构常用的结构体系。在传统 的钢框架设计分析过程中，一般都假定满足相应构造措施的梁和
柱的连接是理想刚接或者理想铰接。理想刚接就意味着相邻杆 件间的斜率完全是连续的，当框架受载变形时，梁柱之间没有相
对转动，之间的夹角保持不变；而理想铰接的假定则意味着梁的 特性象一个简支构件，梁和柱之间不能传递重力弯矩，将独立地 发生转动。虽然上述理想化的假定使分析和设计过程大大简化， 但是基于该假设的设计则可能是不安全的或保守的。因为现实
中的刚节点其刚度总是有限，而所谓的铰接点也是有一定刚度 的 但任何实际结构节点都只能有一定程度的转动能力同时在
一定程度上承担相应的弯矩，实际工程中梁柱连接刚度介于这两 者之间，即半刚性连接。所以，把梁柱连接假定为理想刚接或理
想铰接是不科学，也不符合实际的。因此很有必要考虑节点半刚 性连接的影响。
１ 欧美等国规范的相关规定
美国、欧洲等国已经明确规定节点有半刚性连接这种类型。 美国钢结构学会（ＡＩｓｃ，１９８６，１９８９）对半刚性连接做出规定，
使设计人员在钢框架设计中能考虑他们的特性。容许应力设计 （ＡｓＤ）设计规范（ＡＩＳ（：，１９８９）列出三种结构形式：１）第一种是刚
接框架，它假定梁柱的连接有足够的刚度，能保持相交构件原来 的几何角度不变，而且这种连接能进行弹性分析；２）第二种是简
半刚性连接整体钢框架拟动力试验分析
第３１卷第１２期 ２００８年１２月 合肥工业大学学报（自然科学版） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＥＦＥＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖｏ１．３１ Ｎｏ．１２ Ｄｅｃ．２００８
半刚性连接整体钢框架拟动力试验分析
完海鹰， 郑晓清
（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥２３０００９）
摘要：在钢框架结构的设计中，通常将梁柱节点处理为完全刚接或理想的铰接，但是在实际框架中，梁柱 节点表现出半刚性。目前的实验研究基本都基于结构和构件的静力分析。文章研究了结构的动力性能，进行
了半刚性连接整体钢框架的拟动力试验，所得结论为高层钢结构设计规范提供了试验基础。 关键词：钢框架；半刚性连接；拟动力实验 中图分类号：ＴＵ３１１．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—５０６０（２００８）１２—２０１３—０３
Ｐｓｅｕｄｏ－ｄｙｎａｍｉｃ ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｔｅｅｌ ｆｒａｍｅ ｗｉｔｈ ｓｅｍｉ—ｒｉｇｉｄ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ
ＷＡＮ Ｈａｉ—ｙｉｎｇ， ＺＨＥＮＧ Ｘｉａｏ－ｑｉｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｔｅｅ１ ｆｒａｍｅｓ，ｉｔ ｉｓ ｏｆｔｅｎ ａｓｓｕｍｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏｌｕｍｎｓ ａｎｄ
ｂｅａｍＳ＂ａｒｅ ｅｉｔｈｅｒ ｒｉｇｉｄ ｏｒ ｐｉｎｎｅｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｐｒｏｖｅｄ ｔｏ ｂｅ ｓｅｍｉ—ｒｉｇｉｄ ｔｈｅｏｒｅｔ—
ｉｃａｌｌｙ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ
填充墙半刚性连接钢框架受力特征研究
第３７卷第２３期 ・３Ｏ・ ２ ０ １ １年８月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩ ＩＥＣＴＵＲＥ Ｖｏ１．３７ Ｎｏ．２３ Ａｕｇ． ２０１１
・结构・抗震・
文章编号：１００９—６８２５（２０１ １）２３—００３０－０２
填充墙半刚性连接钢框架受力特征研究
韩清杰
摘要：利用有限元ＡＮＳＹＳ软件，对在循环荷载作用下填充墙半刚性连接钢框架进行模拟计算，分析了试件的滞回曲 线、应力分布等数据，总结了填充墙半刚性连接钢框架的受力特征，得出了一些有指导意义的结论。 关键词：半刚性连接钢框架，内填充剪力墙，滞回性能，耗能性能
中图分类号：ＴＵ３９１ 文献标识码：Ａ
０ 引言
填充墙半刚性连接钢框架是一种新型的支撑钢框架结构体 系，此类结构将钢框架与内填充剪力墙的优点结合起来，充分发
挥了两者的优点，弥补了各自的不足，提高了结构的延性和耗能 能力并且可以有效地减小结构的侧移，使用半刚性节点能够提高
节点的塑性转动能力，并且能确保结构在大变形情况下的整体 性 ］。
目前国内外对此类结构的研究刚刚起步，系统地开展对此类
结构体系的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。
１ 试件设计
依据现行国家标准：ＧＢ ５０００９－２００１建筑结构荷载规范（２００６ 版）、ＧＢ ５００１０－２００２混凝土结构设计规范、ＧＢ ５００１７－２００３钢结构 设计规范、ＧＢ ５００１ １－２０１０建筑抗震设计规范、ＪＧＪ ３－２００２高层建
筑混凝土结构技术规程、ＪＧＪ ９９－９８高层民用建筑钢结构技术规 程，对某七层梁柱半刚性连接钢框架一混凝土剪力墙结构商务办 公楼进行截面初步设计。
柱网布置：横向为三跨，两边跨距为８ ｍ，中间为７．６５ ｉｎ；纵 向为八跨，跨距为７．６５ ｍ。各层层高为３．９ Ｉｎ，屋顶电梯机房高
３．３ ＩＴＩ。 设计基本参数：抗震设防烈度为８度，设计基本地震加速度
值为０．２ｇ，设计地震分组为第一组；场地土类别为Ⅱ类场地；设计 使用年限为５０年；基本风压０．３５ ｋＮ／ｍ ；基本雪压０．２５ ｋＮ／ｍ ； 设计时取楼面均布恒荷载标准值（包括结构层、结合和找平层、面
钢框架梁柱连接节点转动刚度试验研究(一)
钢框架梁柱连接节点转动刚度试验研究(一)
钢框架梁柱连接节点转动刚度试验研究报告
研究目的
• 分析钢框架梁柱连接节点转动刚度的影响因素。
• 探索不同连接节点设计方案对转动刚度的影响。
• 提出优化的梁柱连接节点设计建议。
研究背景
• 钢框架结构在工程中广泛应用，其性能直接受连接节点的影响。
• 转动刚度是连接节点重要的力学性能指标，影响结构整体的刚度和稳定性。
• 目前钢框架连接节点设计仍存在一定局限性，需要进一步研究改进。
研究方法
1. 试验设计
– 确定研究所使用的材料。
– 设计不同梁柱连接节点，并标记为A、B、C、D四组。
– 选择合适的试验设备，并测量转动刚度。 2. 试验过程
– 按照设计方案制作连接节点，并进行梁柱组装。
– 对每组连接节点进行转动刚度试验。
– 记录试验数据，并进行统计分析。
3. 统计分析
– 采用统计软件对试验数据进行处理和分析。
– 比较不同连接节点设计方案的转动刚度差异。
– 探讨影响转动刚度的关键因素。
研究结果
• 经过试验和分析，得出以下结论：
1. 连接节点材料的刚度对转动刚度有重要影响。
2. 连接节点形状及尺寸会显著影响转动刚度的大小。
3. 不同连接节点设计方案的转动刚度存在差异。
4. 考虑结构的整体稳定性时，需综合考虑转动刚度和其他性能指标。
研究结论
• 通过钢框架梁柱连接节点转动刚度试验研究，得出以下结论：
1. 提高连接节点材料的刚度可以增加转动刚度。 2. 合理设计连接节点形状及尺寸能够优化转动刚度。
3. 针对不同工程需求，选择合适的连接节点设计方案。
研究展望
• 本研究针对钢框架梁柱连接节点转动刚度进行了初步探索，但还有以下问题需要进一步研究：
1. 进一步分析连接节点设计方案的稳定性。
2. 探索材料及工艺对转动刚度的影响。
3. 提出更合理的梁柱连接节点设计标准。
参考文献
• [参考文献1]
• [参考文献2]