国家提出“鼓励用钢、合理用钢”的经济政策,要予以贯彻。现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011—2010 及《构筑物抗震规范》GB50191—2012 规定了抗震设计原则。针对钢结构的特点,《钢结构设计标准》GB50017—2017(简称“17 钢标”)新增了 17.3.8 节和 17.3.9 节,这两节内容均为钢结构节点的抗震性能化设计内容。其中,17.3.8 节提出的骨形节点,是通过对梁翼缘进行局部削弱,从而让塑性铰的位置向外移动;17.3.9 节提到的梁端加强型节点,其设计思路是在不降低梁承载力的前提下,在罕遇地震作用下能够获得较好的塑性发展,使节点具有良好的延性。两类节点的共同目的在于把塑性铰转移到距离柱面有一定距离的梁上。这样做能够避免塑性铰出现在韧度较差的焊接接头处。其目的是确保构件具备足够的延性。
“17钢标”新增17.3.8节为有关骨形节点的设计内容。骨形节点是以削弱梁翼缘截面以及降低梁承载力为代价的,这样能在强震作用下让梁实现塑性发展。所以,《钢结构设计标准》GB50017—2017着重指出,当内力分析模型按照未削弱截面进行计算时,纯框架结构的侧移限值需乘以 0.95;钢梁的挠度限值要乘以 0.9;对于削弱截面的抗弯强度,可以按照梁端弯矩的 0.8 来进行验算;梁的线刚度可以按照等截面计算的数值乘以 0.9 来计算。”
框架梁翼缘骨形削弱段的起始位置会对节点抗震效果产生影响。框架梁翼缘骨形削弱段的削弱长度会对节点抗震效果产生影响。框架梁翼缘骨形削弱段的削弱深度会对节点抗震效果产生影响。当荷载达到一定数值后,在梁翼缘削弱区会形成塑性铰。为了让该塑性铰有发展的空间范围,削弱区起点至柱面的距离 a 不宜过小。当其他条件相同时,若 a 增大,梁在削弱区域内就更易形成塑性铰。所以在进行梁翼缘骨形削弱设计时,削弱区起点至柱面的距离需控制在一定范围内。削弱长度 b 对承载力的影响不像参数 a 和 c 那么明显,但为保证应力能在削弱区域内平稳传递,也给出了 b 取值的具体要求。削弱深度 c 对试件承载能力的影响较为显著。当 c 取值过小时,塑性铰无法有效外移;而当 c 取值过大时,承载力会大幅下降。在还未充分利用削弱区腹板的耗能能力时,翼缘削弱区域就已经出现了较大的局部屈曲,试件也就进入了极限承载力状态。所以,应当针对削弱深度 c 给出一个严格的取值区间。
3. 给出了 c 的计算公式。
为了保证加工精度,“17 钢标”有这样的规定:节点的骨形削弱段应当采用自动切割这种加工方式。(如下图所示)
图17.3.8 骨形节点
“17 钢标”新增了 17.3.9 节,其内容是有关梁端加强型节点的。在这种节点中,会在连接区域局部加大梁的截面,这样做能够促使塑性铰外移,从而提高节点的延性。并且,节点应符合以下相关规定:
1)如果能够做到加强后柱表面处的梁截面塑性铰弯矩等于
其中,梁内塑性铰截面的剪力是 Vpb;塑性铰至柱面的距离 s,也就是梁开始变截面或开始加强的位置到柱表面的距离。可以预计,在梁加强段及其等截面部分长度范围内,都能够产生一定的塑性变形,能够把对梁端塑性铰的转动需求分散到更长的长度上,这样就能改善结构的延性,或者减小对节点的转动需求。
盖板加强型节点具有这样的特点:盖板与梁翼缘通过同一条坡口与柱翼缘进行全熔透焊接。正因如此,此处的焊缝尺寸比较大,焊接残余应力的分布也较为复杂。“17 钢标”的 17.3.9 节明确指出:当采用盖板加强型节点时,盖板的计算长度应以离开柱子表面 50mm 的位置为起点。
采用翼缘板加强型节点时,翼缘会出现形状突变,从而产生应力集中现象。为降低应力集中的影响,“17 钢标”规定,宽板应从截面改变位置开始钢结构节点图,以不大于等于 1:2.5 的斜角向弯矩较小的一侧过渡,也就是说翼缘边的斜角不应超过 1:2.5。当加宽的起点与柱翼缘之间的距离较长时,塑性铰外移的距离会增加,柱中的弯矩会变大,节点域周边平衡柱中弯矩的剪力也会增大,对节点域的要求也就提高了。而当加宽的起点与柱翼缘之间的距离较短时,塑性铰外移的效果不明显,各方面的力学性能与非抗震节点类似。因此,“17 钢标”规定,加宽的起点与柱翼缘之间的距离适宜为(0.3~0.4)hb,这里的 hb 指的是梁截面高度。
当梁柱节点采用梁端加强的方式以实现塑性铰外移的目标时钢结构节点图,加强后的梁翼缘其自由外伸宽度或者厚度会有所变化。在这种情况下,如果要考虑截面部分发展塑性,为了确保梁翼缘不会丧失局部稳定,“17 钢标”翼缘加宽之后的宽厚比不应超出规定范围。
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当柱子的截面为箱形时,因为柱翼缘使得对梁的约束能力得以增强,所以适宜考虑钢梁腹板内力的重新分布,并且增加翼缘的厚度。
参考文献
中华人民共和国住房和城乡建设部制定了钢结构设计标准:GB 50017 - 2017 。该标准于 2017 年由中国建筑工业出版社在北京出版发行。
王燕编写了《钢结构新型延性节点的抗震设计理论及其应用》这本书,该书由科学出版社出版,出版地点在北京,出版时间是 2012 年。
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