摘要：为了进一步分析钢结构设计水平的差异，依托实际工程，对中美规范关于钢框架梁柱外伸端板连接节点的计算假定及计算分析过程进行深入对比研究，结果表明中美国规范关于该节点的设计存在一定差异，中国规范计算结果更为保守。
关键词：钢结构；节点；外伸端板；规范对比
1.引言
由H型钢柱、H型钢梁、端板及高强螺栓连接组合而成的外伸端板梁柱连接节点，是钢框架结构中常用的节点形式之一。该类型节点在H型钢柱翼缘处焊接外伸端板，并采用高强螺栓将端板分别与H型钢梁翼缘及腹板进行可靠连接。这种连接方式能够有效改善工作环境、增加作业面、提高安装效率、减小施工误差等优点，因此成为钢结构中较受欢迎的一类节点类型。
2.节点刚度对比分析
2.1 美国规范
为了合理设计节点，依据节点传递挽救的能力，通常将节点分为铰接节点、刚接节点及半刚性连接节点[1-3]。在1986年及1989年修订的AISC规范中已规定下列三种节点构造类型。
1）刚性连接节点：属于弹性结构，在荷载作用下始终保持弹性状态，相对转角不发生变化。
2）简支连接：梁柱连接节点在工作中可以不受到任何约束发生转动，节点不能将梁端或柱端弯矩向柱端或梁端进行传递，只能保证剪力等的传递。
3）半刚性连接：该节点的工作性能介于上述两者之间，能够传递一定的弯矩，能在一定范围能发生转动，也能传递剪力等荷载，计算分析方法需要考虑其塑性性能。
2.2 中国规范
我国《钢结构设计规范》GB50017-2003中相关条文亦指出节点的分类形式，规定梁柱节点不发生角度的相对变化，且节点区域相关板件及节点域具有足够的强度能够承受梁或柱传递来的最不利荷载效应，该类型规定为刚接节点；梁柱节点能发生相对角度的转动，且不受其他杆件的约束，能够传递梁端及柱端的剪力及轴力，该类型节点规定为铰接节点；梁柱节点能够在有限的范围内发生相对转动，能够传递部分梁柱端部弯矩及剪力，节点设计需要考虑其塑性变形性能，以便考虑节点及结构整体变形的影响，该类型节点称为半刚性节点。
3.梁柱连接节点性质判断
铰接节点、刚性节点及半刚性节点在中美规范中的定义基本一致，考虑的内容亦类似[4,5]。但我国钢结构规范对刚度性质的判定并没有明确说明，只是提出了相关的构造要求。因此这里判断方法主要对美国规范AISC相关规范条文进行分析与介绍。
在该规范中，总结了著名学者的研究成果，对节点的连接刚度进行判定：α>20为刚性节点，2≤α≤20为半刚性节点，α<2为铰接节点，其中α = RkiL / EI，即连接刚度与梁线刚度的比值，Rki为节点初始刚度，EI/L即为梁线刚度。
然而，实际应用容易引起麻烦，因此该判断方法给设计或其他工程人员带来一定的麻烦。例如多管相贯节点，对梁的线刚度如何获取，如何确定哪一根贡献更大一些，这些都将给后期设计带来一定的干扰。因此，目前国内外如果需要判断节点刚度性质时多直接采用初始刚度 
进行判断。并规定，节点设计荷载应保证在节点弹性工作状态下，同时保证上述两个条件时，可以才确定节点为刚性节点。
4.高强螺栓的受力分析
端板外伸连接节点主要连接材料为高强螺栓，因此螺栓的重要性是不言而喻的。对于端板连接节点高强螺栓的研究国内外做了大量的工作，其中螺栓的撬力大小是一直以来颇受关注的内容之一。1981年Kennedy等人利用简化的T型模型对高强螺栓进行模拟分析，提出了高强螺栓的三种可能破坏形式（如图1所示）。第一种破坏形态为薄翼缘破坏，这种破坏形式为当荷载作用效果达到承载力极限状态时，T型件的翼缘根部与螺栓孔处达到屈服强度而发生屈曲变形，进而产生撬力。第二种破坏形态为中等翼缘厚度破坏形式，这种情况下通常T型件翼缘的厚度与螺栓强度匹配，不存在较大的强度差异，破坏时T型件的翼缘与螺栓均能达到屈服状态，发生变形从而产生撬力，这种破坏形式，通常是设计者要求出现的破坏状态。第三种破坏形态则为厚翼缘破坏形态，T型件翼缘相对较后，不易发生屈服，故破坏状态为螺栓达到抗拉极限而发生断裂破坏现象，此时翼缘几乎不发生塑性变形，因此撬力较小，故一般不考虑该状态下的撬力影响。
图1 高强螺栓受力分析模型
4.1中美高强螺栓端板连接设计方法比较
1）美国规范设计方法
美国规范《建筑钢结构荷载抗力分项系数设计规范》（LRFD）中对高强螺栓端板连接节点的计算中，将模型进行简化，原有的T型构件根据对称性，T型件的翼缘宽度为原有的一半，计算模型如下图2所示。该规范考虑到撬力产生后，螺栓孔中心发生变化，故对螺栓间距进行了修正。式1、2分别为该规范给出的不考虑撬力影响下翼缘计算厚度及考虑撬力影响时翼缘计算厚度，撬力计算公式如下式3所示。
（1）
（2）
（3）
式中：
；
；
；
；
；
；
。
钢材强度设计值通常取
，其中
为钢材强度折减系数。根据规范，一根高强螺栓的承载力设计值为
，A为高强螺栓有效截面面积。
图2 美国规范高强螺栓端板连接计算模型
图3 中国规范高强螺栓端板连接计算模型
2）我国规范对高强螺栓设计的规定
我国高强螺栓端板连接节点的设计规定主要在《钢结构高强度螺栓连接技术规程》（JGJ82-2011）中有所体现。该规范中亦是采用T型连接模型，在端板及螺栓设计中综合考虑了撬力影响因素。分析模型图如上图3所示。
根据上述计算模型图，提出端板及撬力计算公式如下式4及5所示。
（4）
（5）
式中，
为撬力影响系数，取值为：
；
为型钢柱翼缘板截面系数，取值为
；
、
均为计算系数，当
时，
；当
时，
，且
不大于1.0。此外，
为系数，取值为
为系数，取值为
3）中美规范计算方法比较
中美规范对于T型件均按照考虑撬力与不考虑撬力影响分别给出了计算公式，计算方法及理论基本相同。根据T型件的三种破坏形态可以知道，翼缘与螺栓强度大小关系决定了其破坏形态，中美规范中均引入了相关变量，充分考虑强度差异的不同。
4.2高强螺栓端板连接节点算例对比分析
节点构造图如上图所示，假定节点T型板仅受轴向力作用（弯矩亦可转换为轴力力偶）。分别以轴力值大小、螺栓直径及螺栓布置e1/e2为参数，对比分析中美规范关于该节点设计的差异。计算结果显示：撬力效应随着荷载设计值的增加越来越明显；螺栓直径越大撬力效应越不显著；螺栓距离腹板越近则撬力效应越不明显，反之撬力效应显著。中国规范关于该类型节点梁端翼缘设计值变化趋势与美国规范基本相同，但计算值大于美国规范设计值，相对较为保守。
5 结论
本文通过对螺栓端板连接节点进行详细对比分析，得出一下主要结论：
1）中美规范对薄翼缘破坏模式和厚翼缘破坏模式下的设计计算，计算内容两国规范基本相同，但中国规范计算结果更偏向保守。
2）我国规范未考虑柱腹板的局部屈服强度；在局部屈曲强度中采用了无线板长的假定，计算结果偏大；受拉区柱翼缘板的局部受弯屈服强度计算与美国规范基本相同，但我国钢结构规范未考虑屈服有效长度的影响，计算结果存在一定的风险；在节点域强度验算中两国基本计算思路与方法相同，我国规范忽略了柱腹板轴力对节点域的影响，但对实际工程影响不大。
3）按照国内规范计算结果大于美国AISC规范计算结果，主要原因在于我国钢结构规范中未考虑塑性弯矩，而是采用端部边缘屈服弯矩代替之。此外，钢材的屈服强度亦被强度设计值所替代。故此，我国规范计算结果略微保守。
参考文献
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论文作者:王晓飞
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/17
标签：节点论文; 螺栓论文; 梁柱论文; 钢结构论文; 刚度论文; 中美论文; 美国论文; 《基层建设》2019年第12期论文;