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1、带细长连接板钢框架的设计摘要本文主要研究钢框架薄壁细长连接板节点处的性能和它对抗弯框架整体性的影响。节点约束由3种力提供。第一种是连接板的抗剪强度，这依赖于连接板的长细比。第二种是受拉区强度，这主要依赖于连接板的尺寸和其周边的焊缝的相互关系。最后一种就是框架之间的约束力。用于节点约束评价的设计方程式不同的。我们建议采用单调性和滞回性规则来描述节点特性。采用考虑节点变形的框架分析方法。将分析结果与节点在周期荷载下的实验数据相比较。说明论文中使用的符号：a, b 连接板的方向d 连接板斜边长度E 弹性模量 连接板屈服强度 梁屈服强度 柱屈服强度g 受拉区高度 , 梁柱惯性矩 , 梁柱轴向长度 ,
2、梁柱弹性范围内弯矩 , 节点极限弯矩和屈服弯矩 受拉区作用引起的弯矩 连接板周围焊缝法兰作用引起的弯矩 , 加载和卸载时的弹簧力 连接板厚度 梁上焊缝厚度 柱上焊缝厚度 焊缝斜边所对的角 相对长细比 受拉区应力 为 ,单位 ,称为连接板临界应力 , 节点极限转角和屈服转角1 序言节点的性能对抗弯钢框架的性能影响很大。柔性节点和刚性节点下钢框架中的内力分布和弯矩是不同的。半刚性节点的框架在节点处及其附近会发生弯矩重分配。结果，梁中应力情况变得更加均衡，对于非柔性的框架也就有了更加经济的设计方法。节点的自由度影响柔性框架的整体稳定性，因为它减少刚度，因此当框架受到水平荷载时会产生更大的层间位移。如
3、果遭遇地震荷载，合理设计柔性节点有助于吸收地震能量，即增加延性，因此可以放宽梁的要求。考虑到它的重要性，许多人研究节点性能，包括梁柱连接和节点板。相关信息已被chen和Bjorhove et al收入.在水平荷载作用下的框架内部节点，在梁柱连接板中发展了高光机。表明这些板在框架延性方面发挥重要作用。相关设计规范已被Kato et al采纳。然而所有实践都仅限于小型连接板，都是剪切破坏前就屈服了。在节点连接中使用细长板常见于低层工业建筑中，其中焊接的板梁作为框架的一部分。考虑到整体形状和何在条件，这些梁都会有微小凸缘，因此提供抗弯，同时细长网抵制附加剪力。由于受拉区的形成，细长网能在剪切屈曲后提
4、供一定的抵抗力。基于大量对此课题的研究，现代编程代码采用允许后临界范围内用细长网进行板梁设计。然而这些准则只适用于支撑之间的跨区域梁。相信类似的受拉区会在节点区域形成，适当增加节点的承载力，一项关于有细长网的内部节点的更广泛的研究计划已经开展。它包括在单调重复荷载下的几项试验。初步静载试验结果已由Scheer et al.给出。对周期荷载实验结果的一项评估报告已由Vayas et al给出。本篇论文的目的是在试验数据的基础上，就其柔性和强度而言给出描述节点性能的模型，同时提供一个程序用于评价节点性能对框架承载力和延性的影响。同时考虑静态和动态荷载，这里的设计方法仅局限于经试验检验的焊接节点。在
5、熔化的梁柱连接中，连接点的自由度和强度，可能的不同连接板的相互作用都应当被考虑进去。2内部节点的性能当钢框架处于荷载下时，连接板处的节点处会产生很大的剪应力。节点附近的力和弯矩在表1中给出。大量的进一步试验表明它有利于内部角I的弯矩和转动，因为在荷载下节点围绕这一区域转动。由Scheer et al和Vayas et al提供的报告显示三种力有利于该节点的刚度和强度。他们是直接抵抗剪力的连接板的能力，屈服后受拉区形成，节点周围各部分的框架作用。每一种力的分布对节点性能的评价包括正弯矩（关闭节点）和负弯矩（打开节点）将会被依次讨论。3 节点对正弯矩的抵抗细长连接板的抗剪强度由剪切屈服曲线决定。对
6、板梁网采用欧洲准则3 的相关曲线，极限剪应力由以下给出：表1 节点几何尺寸和对内力及弯矩的通用标注 1这里代表连接板的剪切屈曲强度， 代表屈服强度，而代表相对长细比。在连接板沿它的边缘简支的假定下，相对长细比由弹性临界剪应力决定。由连接板抵抗剪切屈曲所产生的弯矩为：这里a和b 是连接板尺寸， 是它的厚度。细长连接板提供了一定的屈曲后强度，因此这并不是剪切屈曲强度，而是屈曲后受拉区引起的，正如表2所显示的。三角形内的受拉区的锚固力由周边梁柱区的网状板提供，因此它的区域由焊缝长度决定。当受拉区充分发展时，焊缝处形成塑性铰。焊缝锚固长度 和 由静力平衡决定，大小如下：这里代表三角形斜边所对的角， ,
7、代表梁柱处的塑性弯矩，而 代表受拉区应力。受拉区应力等于考虑第一种力引起的剪切力时的屈服应力为：表2 正弯矩下的受拉区 1这里受拉区宽度g 可以由几何关系给出：由受拉区运动引起的节点弯矩可以由点I的玩具平衡方程给出 ：在受拉区发展完后，节点承载力的任何增加都由连接板周围的框架的运动引起。运用框架屈服的能量方程，相关的节点弯矩表示为 ：节点极限弯矩有三种力联合给出：分析结果和应用资料5中12个相应的循环实验的比较显示，的平均值为1.05，标准偏差为0.12。表1试片数据()表2实验结果和理论分析结果比较表1总结了主要几何尺寸和内力数据，表2显示实验结果和理论分析的相关性。除去框架运动力的贡献，屈
8、服弯矩和相应的极限弯矩大致相当，因为它的运动伴随着大型节点的转动和刚度的下降，大小如下：4 节点对负弯矩的抵抗节点对负弯矩的抵抗（节点开放）可能像正弯矩一样的规则决定。对于负弯矩，建议除去框架运动的影响。因为对于负弯矩，在循环试验观察到在达到极限弯矩后有承载力的下降，下降是由于二阶效应。这些影响是由于受拉区焊缝锚固力的偏差引起的，也就是说对于负弯矩而言，焊缝处于受压时产生的。这些偏差（或者二阶效应）随着节点转角的增大而增大。这是因为处于上述中的循环荷载下的受压焊缝的塑性铰转动而产生的焊缝缺陷引起的。表3 负弯矩下的受拉区 二阶效应对于有强连接板弱焊缝的节点意义重大。相反的情况，框架的反向运动导
9、致节点承载力估计不足。 对负弯矩的剪切屈曲抵抗和正弯矩时候一样。然而，在这种情况下，受拉区的影响是很低的，因为整个受拉区的力都由焊缝锚固力和受拉区的宽度相应的小于正弯矩的情况下。 受拉区的力由以下给出 ：这里受拉区应力由方程4决定。 由于受拉区运动产生的节点抵抗力等于 ：这里d 是斜边长度，因而整个节点对负弯矩的抵抗力为 ：对于负弯矩一项相似的关于理论分析和实验结果的比较显示比值的平均值为1.13，标准差为0.11，详细的比较可以在表2中找到。 屈服弯矩大致由方程12决定，然而这里使用方程11焊缝焊缝屈服弯矩而不是塑性弯矩。5 节点的变形在单调荷载下节点特性可用弯矩转角三线图来估计，如表4中所
10、示一样。表4 a, b 分别为单调荷载和循环荷载下的节点特性受拉区连接板斜线应变与节点转角的关系为 :作为一项近似估计，屈服转角可以定义为通常应变的2 ，如下 ： 对极限转角的估计，必须考虑以下情况。根据ECCS标准（1986），屈服弯矩被定义为初始弹性线和M-曲线上斜率为初始弹性线斜率1/10的切线的交点。如果这个定义用于近似的三线图中，屈服后的刚度会被过高估计，因为结果图将覆盖真实的M-曲线。考虑到实验观察到的因素，对斜率乘以系数3来调整，因此极限转角的最终表达式为 ：节点的迟滞特性，就像试验中观察到的一样，表4中给出了近似描述。上述讨论的单调荷载下的三线节点特性为骨架线。该线适用于每一荷
11、载下在先前的循环荷载下最大变形达到后延伸的部分（点a,d,g）。卸载在初始弹性刚度下实施。由于受拉区沿着一条对角线消失及新的受拉区沿着另一条对角线发展，连接板变得平缓。这种转变大约发生在加载点（b,e）变化和干线在大约是靠近屈服后刚度处的刚度减少点（点c,f）之间。事实上，刚度的变化并不发生在0弯矩处，就像这里建议的一样，但是发生在与板抗剪切强度相对应的弯矩处。然而对这些细长连接板而言，这些弯矩非常小，而且随着每个循环而递减，因为板有缺陷，这也与目前的规范相符合。当新的受拉区沿着相反的对角线发展后，节点的刚度再次增加。新的刚度是变化的，因为加载曲线直接指向先前循环的极限点a。接着就出现了之前讨
12、论的骨干线。试验结果显示建议的迟滞特性对有细长连接板和强的周围框架的节点有效。有细长板和弱的焊缝的节点的延性很弱，因为锚固受拉区的焊缝的承载力很低。此外，对于在高转角的负弯矩下，二阶效应进一步减少节点的延性。因此这种接头不建议在高地震区使用。相关的循环特性也不建议在此地区使用。考虑到对节点约束做出贡献的各种力的承载能力，强焊缝和弱焊缝之间的区别就不难理解了。实验表明，作为第一估计，由于剪切屈曲和受拉区运动产生的弯矩和要被分别用到。如果前者的弯矩大于后者，焊缝强度被认为更弱，或者更强在相反的弯矩下。6 带自由连接板框架分析在摇摆框架的常规分析中，通常假定节点是刚性的，尺寸忽略不计，因此框架可以由
13、构件的中线表示。在细长连接板这种情况下，正如这里讨论的，在框架分析中节点变形必须考虑，因为它对框架的强度和稳定性有影响，接下来用Ermopoulos and Vayas被采用的节点模型来讨论。通过适当的弹簧，该模型可以描述连接处和节点板的自由度。在目前的分析中，只有连接板的自由度被考虑。对于校准试验结果的模型，代表了测试安排的框架设置将会被考虑，正如参考文献5所提及的一样。分析考虑了由几何和材料非线性引起的非线性因素。在测试中，它是由梁底周期变形控制的应变。与ECCS推荐测试程序（1986）单一试验相比，这种循环模式被应用于特殊延性要求的情形下。表5 考虑以上因素和传统规范使用斜坡变形方法分析
14、的框架框架自由端点A的力与位移关系可以写为 ：和这里x=由力引起的柱子的水平变形，由弯矩引起的柱顶点处的水平变形。当节点被认为是刚性时由于柱子转角引起的柱垂直变形。由于力引起的垂直方向的梁变形。 , ， , =梁柱的惯性矩和轴向长度。 在以上关系中，梁柱的长度近似认为是中线长度。 由于 和 引起的柱顶端的转角如下 ： 将其带入方程17就可以得出点A的力和位移的关系，考虑由于连接板变形引起的节点转角，框架的偏移量如下 ：因此可以建立已知量和框架偏移量的关系，其中和是未知的。这两个未知数可以联立两个方程解得，分别为以构件交点为矩的力矩方程和以内部角点I的力矩方程。梁和柱的弯矩,和剪力,以采用附表1
15、中广义斜坡方程表示的构件的末端位移和转角表示，这些方程中，构件的明确长度被使用，弹簧特性被写为是线性的，增量形式写为 ：这里的为与前面描述的连接板迟滞模型相对应的弹簧刚度。弹簧的真实长度和相对于点I，弹簧的力矩是依赖于连接板自由度的节点转角的函数。表达式如下 ：联立方程22、23 、24和斜坡变形方程（适当用于这种特殊情况下），带入方程20 、21，最终解得只含有和的两个方程的系统。该系统可以在各自加载步骤中通过迭代求解，因此可以从前一个力和变形迭代得到新的力和变形量。7 数值结果为了比较解析解和实验结果，数值结果也要参考已经进行实验的节点。由于全尺寸的实验安排（如文献5中所言），整个框架的自
16、由度由连接板的变形决定。如实验所示，框架反应由节点的弯矩转角曲线决定，而不是框架的力位移曲线决定。 在每一次试验中，两种分析都会被用到，首先，极限弯矩、屈服弯矩和转角用于建立评价实验结果三线节点特性。其次，相关量的确定将采用建议的方程来数值确定。分析1用于评价迟滞节点模型，分析2用于描述当相应实验结果不存在时的框架特性。一项对三组实验的实验结果和理论分析的比较在表6-8中显示。对一个节点的力矩和转角的评价的详细数值例子在附录2中展示。在受拉区变平缓处，某种差异出现，新的受拉区在相反方向发展前，真实的刚度似乎比预测的小。然而考虑到问题的复杂性，这种分析预测还是令人满意的。表6 节点CZ1010Q
17、迟滞回线 (a)实验；(b)分析1；(c)分析2 1表7 节点AZ10101迟滞回线,(a)实验；(b)分析1；(c)分析2 1表8 节点DZ0510Q迟滞回线：(a)实验；(b)分析1；(c)分析2。 18 总结本文的目的是评估薄壁细长连接板钢框架在节点处的特性和评估它是如何影响抗弯框架的整体性能的。 节点抗力有三种力。分别为连接抗剪承载力、受拉区作用、板周围构件的框架间作用。以实验数据为依据，提出相关设计方程。然而第一种力由连接板提供，第三种力由框架单独提供，受拉区力的范围依赖于连接板对周围焊缝的相对性质。 如果在框架分析中包括的话，对节点的单调和迟滞准则用于节点特性的描述。使用适当的框架分析模型，简单的框架在分析时，考虑由于几何效应引起的非线性特性和由连接板变形引起的节点特性的影响。这种方式已经运用于一些节点的实验。附录1：斜率-变形方程考虑轴向荷载，各构件端部的弯矩和剪力有下列方程给出 ：附录2 ： 例子确定节点抗力和自由度的计算过程如下（使用节点CZ10.10Q的数据）材料，几何尺寸：
