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扣件连接的半刚性特性模拟问题

2015-12-07

  传统的钢框架分析和设计一般是假定梁和柱的连接是理想全刚性连接或理想铰接.全刚性结点即假定相邻杆件之间的斜率完全是连续的.梁端的弯矩可以全部传给柱端。而理想铰接则假定梁端不会传递弯矩给柱。无疑,全刚性理想连接和理想铰接的假定大大简化了分析和设计的过程。然而实际使用中的钢框架梁柱连接.据其连接构造特性,可能介于以上两种理想极端情况之间。我们称这种连接为半刚性连接,或柔性连接.或部分约束连接。

  一些钢结构房屋设计规范.如:(AISC荷载和抗力系数设计规范(1986)),(A1SC允许应力设计规范》和《英国标准5950(1985))、中.就允许在分析中考虑节点半刚性的影响。针对有关连接柔性对一般钢框架效应影响的研究,已经有大旦的文献报道,诸如:Moncar:和Gerstle( 1981), Simitses和Vlahinos ( 1982), Simitses等( 1984)、Ackroyd和(;erstle( 1983) , Stelmack等(1986),Yu和Shanmugam ( 1986) , Chen和Zhou(1987) ,Sivakumaran(1988) , Wang和Nethercot(1988), Chan在1994年的理论证明,当节点刚度发生变化时,结构的自然频率特性会随之改变,因此,在动力计算时将实际连接节点视为理想节点的做法也是不够准确的。徐崇宝等人曾分别采用刚性和半刚性的扣件连接对双排扣件式钢管脚手架的整体稳定力作过理论分析,发现用刚性连接计算的分析结果与临界荷载的实验值相比,要高出很多.而按半刚性连接分析的理论值与实验值比较接近.因此.扣件的转动刚度对保证理论分析脚手架临界荷载的准确性十分重要。

  脚手架的扣件连接的弯矩一转角关系表现出明显的非线性。由于初始轴向应力的存在,刚度并非在所有荷载情形下保持常数.Narayanan在 1989年的实验研究发现节点刚度是节点处弯矩值变化的函数,由此可以说,荷载变化将导致整体刚度的改变。在半刚性节点框架计算中,除非是有可靠的实验数据.确定连接刚度是较为困难的。目前的大多数实验研究都是针对梁柱钢框架中典型的连接形式.为考虑脚手架扣件半刚性的影响.徐崇宝等人在1989年采用了一种近似方法,他们在分析中采用计算和试验两种模型.两种模型的儿何尺寸、杆件截面完全相同.不同的是计算模型采用刚性连接,而试验模型实际为半刚性连接。由于计算模型与试验模型的临界荷载之比和横向刚度之比成正比,而二者在相同横向水平荷载下的横向位移之比和横向刚度之比成反比.因此,对计算模型得到的临界荷载用两模型在相同横向水平荷载下的横向位移之比进行修正,便可得到试验模型的数值。这种“刚性”和“半刚性”的线性转换没有考虑二阶效应的影响,是一种近似的方法.Chan, S. L.在1995年提出了一个近似方法,通过估计脚手架杆件的计算长度,然后由计算长度一节点刚度的对应关系求得节点的刚度大小。但是.这种方法不适用于非线性特性较强的连接形式。同济大学的敖鸿斐在其硕士论文中曾做过扣件的转动刚度实验,对脚手架扣件绕轴的角位移与弯矩拟合成线性关系,这种模型对于非线性较为明显的扣件连接来说.会产生相当的误差,综上所述,我们认为需要对脚手架扣件连接工作状况有一个较为精确的描述.