專利名稱：一種半剛性節點初始剛度的組件式獲取方法
技術領域：
本發明涉及鋼結構建筑物設計建造領域，尤其涉及一種鋼結構的半剛性節點初始剛度的獲取方法。
背景技術：
鋼結構是土木、水利、交通、礦山等行業重要的建筑物結構形式，廣泛應用于國民經濟發展的各個領域。節點是建筑結構中的關鍵連接部分，節點性能直接影響框架結構在荷載作用下，尤其是動力荷載作用下的整體行為，對于整個結構的受力與安全具有重大影響。一旦節點發生破壞，結構構件再強也不能發揮作用。以往常將框架的梁柱連接簡化成理想鉸接或完 全剛接。事實上，工程節點很難做到是完全剛接或者理想鉸接。在歐洲規范(EuroCodd、EuroCode4)以及日本規范中，按框架轉動剛度及有無側移可分為剛性、半剛性和鉸接節點三種類型。半剛性節點兼有另兩者的優點，且允許有限轉動并存在結構阻尼，故有利于結構的整體穩定與耗能。總體上，現階段對半剛性節點的力學性狀掌握仍不夠充分，中國鋼結構設計規范(GB50017—2003)也并沒有提出如何實現半剛性節點的設計計算、要求標準以及實施步驟等。歐洲規范EuroCodd將節點受荷性能拆分為一系列獨立的基本組件，被激活組件的力學特性用具有相同或相近力學特性的彈簧來代表。基于組件法的節點模型不僅便于開展半剛性節點設計，而且非常適于含有大量節點的整體框架力學分析，已廣泛應用于結構整體設計、倒塌及大變形計算、結構抗火等領域。因此非常有必要進一步研究和推廣半剛性節點的組件式分析方法。當前Eurocode3規范中，對節點的每個組件采用一個彈簧進行模擬,這種方法存在的問題是(I)可能參與工作的組件種類較多，容易遺漏個別被激活的組件。(2)眾多組件之間的聯系復雜，造成對節點性狀模擬的失真。與Eurocode3相比，本方法的不同在于以T型件為基本分析單元，并將每個Γ型件用一個彈簧來模擬。本方法的步驟更簡潔和明確，并有針對性地提出了螺栓受拉組件剛度、翼緣彎剪組件剛度和腹板受拉組件剛度等的計算方法，節點組件式模型的彈簧數量減少，與試驗成果對比可見，本方法獲得的節點初始剛度具有更聞的精度。

發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種鋼結構半剛性節點初始剛度的獲取方法。為解決上述技術問題，本發明的解決方案是一種鋼結構半剛性節點轉動初始剛度的分析及獲取方法，包括以下步驟
(I)識別在荷載作用下節點被激活與不被激活的承載機制，被激活是指在某種荷載狀態下參與工作，未被激活是指在某種荷載狀態下未參與工作；(2)根據被激活而參與工作的組分情況把節點拆分為一系列等效Γ型件；
(3)根據Γ型件的幾何和力學參數，建立Γ型件的組件式模型，并用組件式方法獲得T型件的初始抗拉及抗壓剛度值；
(4)把Γ型件用具有相同剛度的彈簧模擬；
(5)把整體節點模擬為一系列彈簧與桿件組成的組件式模型；
(6)計算獲得節點組件式模型的初始轉動剛度；
(7)用三折線準則，預測并獲取節點的塑性階段與強化階段剛度。本發明的有益效果是，本發明克服了現有歐洲規范對于鋼結構半剛性節點設計計算中由于組件種類較多及組件之間的聯系復雜引起的對節點性狀模擬的失真及所獲得結果不夠精確的問題，具有較高的準確性和可靠性。


圖I為節點剛度獲得方法流程 圖2為T型件抗拉初始剛度獲得方法流程 圖3為Γ型件破壞模式示意 圖4為T型件受力分析與組件式模型 圖5為頂底角鋼、腹板雙角鋼連接試驗構件TC-I的幾何參數(單位mm) 圖6為T型件連接試驗構件TA-I的幾何參數(單位mm) 圖7為外伸端板連接試驗構件TB-I的幾何參數(單位mm) 圖8為外伸端板連接試驗構件TB-2的幾何參數(單位mm) 圖9為試驗構件TC-I的組件式模型 圖10為試驗構件TA-I的組件式模型 圖11為試驗構件TB-I和TB-2的組件式模型 圖12為試驗構件TA-I的彎矩-轉角關系對比 圖13為試驗構件TB-I的彎矩-轉角關系對比圖； 圖14為試驗構件TB-2的彎矩-轉角關系對比 圖15為試驗構件TC-I的彎矩-轉角關系對比圖。
具體實施例方式本發明的總體技術路線
選擇鋼結構節點的r型件作為分析基本單元，根據r型件的力學性狀和破壞模式，建立r型件的組件式模型。在此基礎上把節點等效為一系列r型件的組合并最終獲取節點的初始剛度。下面結合附圖詳細描述本發明，本發明的目的和效果將變得更加明顯。如圖I所示，本發明基于組件發的鋼結構半剛性節點初始剛度的獲取方法包括如下步驟
步驟I:識別在荷載作用下節點被激活與不被激活的承載機制，被激活是指在某種荷載狀態下參與工作，未被激活是指在某種荷載狀態下未參與工作。一般梁柱節點被激活而承受荷載的承載機制有螺栓受拉、翼緣受拉彎剪腹板受拉與腹板受剪這幾種受荷機制。步驟2 :根據被激活而參與工作的承載機制情況把節點拆分為一系列等效Γ型件。在步驟I中掌握了被激活而參與工作的承載機制的分布及受力情況后，可把節點用一系列等效r型件的組合代替。由于可以認為被激活而參與工作的承載機制是相對獨立的，所以這樣并不改變節點整體的受力機制。步驟3 :根據T型件的幾何和力學參數，建立T型件的組件式模型，并用組件式方 法獲得r型件的初始抗拉及抗壓剛度值。如圖2所示，為Γ型件抗拉初始剛度獲得方法流程圖。首先在拉伸荷載工況下判別r型件中被激活而參與工作的各獨立組件；然后通過計算或試驗確定被激活組件的力學特性，包括螺栓受拉組件、翼緣彎剪組件和腹板受拉組件，并用具有相同或相近力學特性的彈簧來描述；最后將代表各獨立承載機制的彈簧組合成節點簡化模型，用以研究τ型件的整體力學性能。Γ型件受力性狀、組件式模型及具體計算分析方法如下
根據節點塑性鉸出現的位置不同，在軸拉力作用下的T型件破壞模式可分為螺栓拉壞(Model)、翼緣產生塑性鉸(Mode2)和聯合破壞(Mode3)三種，如圖3。進而可分析得被激活的是螺栓受拉、翼緣彎剪破壞以及腹板受拉三種受荷機制，即三種組件。首先分別計算這三種組件的最大承載力和剛度，然后整合得到整體r型件的力學特性。I.螺栓受拉組件
單個螺栓的最大受拉承載力為
= Iyh X 為；(I )
fyb為螺栓的屈服強度，汍為單個螺栓截面面積。單個螺栓的受拉極限承載力為
F他—Sah X 為;(2 )
fub為螺栓的極限強度。單個螺栓彈性階段的初始剛度為
SxAi
'[ = ~ ；(3)
h
Ib為螺栓受拉長度，A為螺栓材料的彈性模量。2.翼緣彎剪組件
r型件翼緣的剛度取為翼緣板所受拉力與翼緣板在拉力作用下變形的比值，其中翼緣板在腹板拉力作用下的變形為
Bft = Tl+ f+V [ kFSF^ds ；(4)
Jy JLrnJk J EIi JLmJk J
上式中，等式右側第一項為彎矩產生的位移，第二項為軸力產生的位移，第三項為剪力所產生的位移。翼緣受荷剛度由腹板至螺栓(AB段)以及螺栓至翼緣板端(BC段)兩部分剛度組成，表示為fw，Ae。T型件AB段軸力的影響較小，故可近似只考慮受彎剪的影響，其
變形δ/η為
權利要求
1.一種鋼結構半剛性節點轉動初始剛度的分析及獲取方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 (1)識別在荷載作用下節點被激活與不被激活的承載機制，被激活是指在某種荷載狀態下參與工作，未被激活是指在某種荷載狀態下未參與工作； (2)根據被激活而參與工作的組分情況把節點拆分為一系列等效Γ型件； (3)根據Γ型件的幾何和力學參數，建立Γ型件的組件式模型，并用組件式方法獲得T型件的初始抗拉及抗壓剛度值； (4)把Γ型件用具有相同剛度的彈簧模擬； (5)把整體節點模擬為一系列彈簧與桿件組成的組件式模型； (6)計算獲得節點組件式模型的初始轉動剛度； (7)用三折線準則，預測并獲取節點的塑性階段與強化階段剛度。
全文摘要
本發明公開了一種鋼結構半剛性節點轉動初始剛度的分析及獲取方法，該方法首先識別在荷載作用下節點被激活與不被激活的承載機制，然后把節點拆分為一系列等效T型件，建立T型件的組件式模型，并用組件式方法獲得T型件的初始抗拉及抗壓剛度值；接著把T型件用具有相同剛度的彈簧模擬，把整體節點模擬為一系列彈簧與桿件組成的組件式模型，最后計算獲得節點組件式模型的初始轉動剛度，并用三折線準則，預測并獲取節點的塑性階段與強化階段剛度。本發明克服了現有歐洲規范對于鋼結構半剛性節點設計計算中由于組件種類較多及組件之間的聯系復雜引起的對節點性狀模擬的失真及所獲得結果不夠精確的問題，具有較高的準確性和可靠性。
文檔編號E04B1/58GK102635160SQ20121000255
公開日2012年8月15日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者劉國華, 張勁帆, 王振宇, 蔣建群 申請人:浙江大學