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】钢框架;半刚性连接;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。在建筑中包含的连接类型中，顶底角钢与双腹角钢相对复杂，尤其顶底角钢因其特征还处于试验阶段，因此在我国建筑工程中应用的较少，而国外的一些国家会利用焊接辅助技术，做到两点连接以达到应用目的。外伸端板、短T型钢连接等在高层建筑中已经开始得到广泛应用。

二、半刚性连接钢框架稳定性分析

1、刚性连接钢框架内力分析

我们选取有限元模型，如图1，将图1截面尺寸按照常用建筑做缩尺，梁与柱选取适当的粗细的梁单元模拟，梁与柱的连接模拟半刚性连接，柱脚自由度要约束，约束节点处平面外位移，以避免平面外失去稳定性。

假设梁与柱节点转动刚度是相同的，用K表示，阻尼例取0.04，我们可以通过不断改变K值，计算出转动刚度对半刚性连接刚框架结构的影响，以β表示，

公式：

β=半刚性钢框架内力、位移/刚接钢框架内力、位移

可见结构受力类型关乎系数β的变化，通过公式可以解构研究结构竖向荷载、水平荷载下半刚性连接钢框架的承载受力能力。

我们做半刚性连接钢框架内力分析时，首先利用A模型进行试验说明，以此对柱脚弯矩、轴力，柱顶弯矩等做计算，分析其中的规律。

单位竖向负荷作用下，半刚性连接钢框架对柱脚内力影响有几点：首先半刚性钢框架与刚接钢框架相比较而言，柱顶与柱脚弯矩、剪力都减小，而轴力近乎不变，同层柱顶、柱脚β系数相同，不同层柱顶柱脚β系数不同;其次衡量杆端弯矩减小时，跨梁弯矩会增加，这都归结于节点连接刚度比理想刚接刚度小;再次通过模型可以发现，顶层柱顶β系数通常在1%左右，上层梁比下层梁β系数大3%之内，这都归结于下一层梁柱连接刚度的影响。

以同样的方式可以看出水平集中负荷作用下，半刚性连接刚框架结构对钢结构内力影响：首先二者相比，柱脚弯矩增大，轴力变小，剪力保持不变，其次水平负荷下梁跨中弯矩无作用。

2、半刚性连接钢结构框架位移分析

同样利用K值β值做计算，看竖向负荷作用下，半刚性连接的变化：首先K值大时，梁跨最大挠度变小;其次半刚性连接刚度小于刚接，挠度大于刚接，节点转动刚度增大时，幅值减小;再次随着建筑层数提升，转动刚度K值降低时挠度增加的负值减小。

利用K值β值做计算，看水平负荷作用下半刚性连接钢框架结构移动变化：首先K值提高时，柱顶侧移动变小;其次因为半刚性连接使结构侧移刚度降低，K值增大，结构侧移幅值减小;再次半刚性连接钢框架结构侧移增大范围保持在200%之内，且层数高，侧移幅值小，K值小时，侧移幅值更小。

3、半刚性连接钢框架结构的稳定性

钢结构是建筑中控制稳定性的重要部分，半刚性连接刚框架结构的稳定性更好，已出台的《钢结构设计规范》中，针对结构稳定的计算基于一种假定，即“结构同一层柱同时按相同模式对称或反对称失稳”，其中柱的稳定性计算可以代替刚架结构的整体稳定分析，这就是我们常说的长度计算;本文利用 ANSYS 的特征对结构模型进行分析。分析中出现的失稳形式即为“有侧移极值点失稳”，符合无支撑钢框架的失稳形式。

通过分析可以知道，首先K值变化，失稳失稳形式不变;其次半刚性连接减弱梁柱之间的约束，大大降低结构的刚度，这样情况下，建筑遇到地震作用力时，结构变形会吸收部分能量，最大程度上降低建筑倒塌的可能性，结合周期分析，可以发现由于半刚性连接增大结构周期，有利于避免发生共振，进一步保证建筑的安全稳定性。

三、结束语

分析半刚性连接钢框架结构时，考虑了不同的设计参数，考虑了不同的影响因素，目的是为了通过对比得出有价值的结论，研究表明半刚性连接框架对比其他结构表现的更为稳定，本文利用ANSYS有限元软件对半刚性连接的钢结构框架进行深入分析，从内力、移动、稳定等方面论证了该结构的稳定性，目前我国的高层建筑越来越多，建筑工程对于半刚性连接框架的应用更广泛，但为了做好更全面的研究，我们还需不断在实践中挖掘探索，不断扩展半刚性连接刚框架结构的抗震性能，有利于今后做好建筑抗震设计，为人们的生活空间的安全健康稳定贡献力量。