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轻型门式刚架设计中的一个重大问题

2020-4-17

最近,我国《门式刚架轻型房屋技术规程》CECS102的主要编制人,德高望众的陈绍蕃教授,以93岁高龄不辞辛劳,提出了题为《把轻型门式刚架梁柱连接设计成刚节点》的重要论文,指出《规程》存在的重大缺陷——没有明确说明做成刚节点的重要性和必要性,相关规定也不够完整,以致一些设计的门式刚架,梁柱连接达不到刚性节点要求,影响到结构性能。

论文指出,这种连接通常被看成是半刚性连接。用于多层框架时,认为半刚性连接可以调节梁端和跨中的弯矩,使达到大体相等以节约材料。这种连接被认为具有很好的转动能力,有利于框架的抗震性能。如果设计得当,螺栓端板连接也可以做成刚节点。《规程》就是这样对待梁和柱的连接的。作者语重心长地指出:“如果梁柱连接的转动刚度和理想刚节点相去较远,而仍然按理想刚架分析内力,并按《规程》的条文确定柱计算长度,将导致门式刚架的可靠度不足,甚至会酿成事故”。以上评述确切、中肯、及时,此前没有任何人指出,使我们深受教益,值得编制组成员深思,对广大结构设计人员也是一次难得学习机会。

论文指出,半刚性连接不仅使框架的位移增大,还使其承载力下降。轻型门式刚架自重和屋面荷载都很轻,地震作用很小,不需要耗能能力强的半刚性连接。振动台模型拟静力试验表明,结构在8度和9度多遇地震下仍基本处于弹性阶段,且承载力有较大储备。容许轻型门式刚架的连接刚度不足是不适当的,把轻型门式刚架设计成刚节点十分必要。

论文对已往的一些研究工作和现状作了综述,提出一些令人感兴趣的事实。端板的厚度是根据构件和加劲肋支承的板区按螺栓拉力作用下的强度计算得出的,没有考虑刚度要求。当端板的外伸部分增设三角形竖向加劲肋后,端板厚度显著减小,从而可能导致节点刚度不足。有一项试验研究完成了两个门式刚架节点试验,一个是端板斜放的梁柱连接节点,另一个是屋脊处梁拼接节点。前者没有达到刚节点的要求,而且相差颇多,端板厚度14mm,小于螺栓直径(16mm),估计端板厚度偏小是主要原因。另一项试验研究完成了7个外伸式端板的节点试验,模拟多层框架的边柱节点,结论是都属半刚性连接;梁和柱之间的相对角变位大部分由节点域剪切变形引起。用有限元分析螺栓端板连接的性能的研究也不少。有一项分析研究得出,受拉翼缘处的端板间缝隙最大达到0.7mm,主要因为端板中部未设置螺栓,在翼缘拉力作用下端板变形。有一项研究分析了三种不同跨度、两种不同柱脚的门式刚架,得出的结论是:在节点域设置斜加劲肋,可以作为刚性节点进行设计计算。另一项分析研究提出,节点域斜加劲肋十分必要,建议作为必要的构造措施来对待,而不是按《规程》规定的“不满足剪切强度要求时设置”。还有一项研究虽然说“外伸式端板经过合理设计,可以达到刚性节点的要求”,但并未指出合理的设计方法。

陈老师用一系列事实说明,按《规程》设计的轻型门式刚架设计达不到刚节点的设计要求。我们过去强调端板连接的半刚性连接和它调节弯矩和耗能能力的性能,认为内力小时是刚接,内力大时是半刚接。在MBMA低层房屋手册的历次版本中,强调了这种结构的实际位移比计算值小很多,也使我们认为端板连接刚度是不成问题的;按MBMA提供的梁柱连接标准形式去设计,看重面板的蒙皮效应,忽视了框架本身的刚度要求,没有想到对节点刚性会存在什么问题。中国建筑东北设计院原总工李和邦几年前曾对门式刚架的柱顶节点刚度提出疑问,对《规程》节点域承载力验算公式是否足以保证节点的抗弯刚度表示怀疑,他直观感到它承担不了刚架的弯矩,会同辽宁省建筑金属结构协会会长曹英一道,立了课题,作了模型试验。但他们仍持强度观点,没有意识到刚架节点还有刚度要求,也提不出任何刚度准则。我们当时提出,当节点域承载力不足时可以设置斜斜加劲肋,问题也就不了了之。《规程》的节点域采用了类似高钢规程中的强度计算公式,门式刚架柱腹板一般较薄,节点域因而也很薄,提出疑问是很自然的。高钢规程对节点域承载能力不足时要求补强,而《规程》却没有要求补强,提出不足时设置斜加劲肋。斜加劲肋沿对角线设置防碍螺栓操作,无论端板竖放或平放都使螺栓拧紧操场作不便。编制组根据读者要求补充提出了斜加劲肋布置由设计人员自定。但是,内力计算按理想刚架,实际结构又达不到理想刚架要求,确实不妥,会影响结构性能,可能引发安全问题,值得严重警惕。为了消除这种不合理的情况,端板应适当加厚,节点域也要适当加厚,陈老师已经提出具体建议。现在亡羊补牢,还来得及。我们感谢陈老师的重要提醒和及时指导,感谢提供的刚节点设计标准和方法,对提出的一系列设计建议,我们坚决照办。

《规程》目前正在修订,编制组将按陈老师的建议,拟出梁柱刚性连接节点的设计要求,经陈老师审阅后先行刊载,以供设计急需。