水平荷载作用下半刚性连接组合梁钢框架设计

巢沧海 刘秀华

0 引言

传统的结构设计方法中[1]，将节点假定为铰接或刚接，节点特性直接融入结构分析中，节点设计根据结构分析对节点所作的假定(铰接还是刚接)作为设计的最后一步来完成。虽然所有框架梁柱节点实际上都是半刚性的，不存在理论上的铰接或刚接，但以往的规范总是采用刚接或铰接的假定进行结构设计。实际上对于低层建筑不需设置水平支撑而框架本身就能提供足够的水平抗力以抵抗风荷载的作用，半刚性节点所具有的转动刚度使之能对结构中的弯矩分布进行优化，从而优化重力荷载及弯矩分布，采用半刚性节点可使钢框架结构更有效、更经济。

1 半刚性连接组合梁框架设计步骤

结合我国GB 50017-2003规范的内容，给出如下较为简单实用的半刚性连接组合梁钢框架设计建议。其设计步骤如下:

1)根据建筑布置，按竖向荷载组合考虑梁的承载能力初步设计节点，确定框架柱和钢梁及组合梁的尺寸;2)根据初步确定的组合梁尺寸，求得梁的等效刚度，按王静峰[4]建议的方法进行竖向荷载作用下框架的正常使用极限状态及承载能力状态的验算。如不能满足要求，重新调整构件尺寸及相应的节点刚度;3)框架侧移验算;4)框架整体结构极限水平承载力验算;5)根据GB 50017-2003钢结构设计规范[5]进行柱的极限承载力验算;6)节点设计:根据所确定的梁、柱尺寸及相应的节点刚度和承载力，进行半刚性连接组合节点设计。

2 设计示例

某3层两跨框架，跨度6 m，层高 3 m，荷载标准值为:恒荷载、活荷载分别为:30 kN/m及12 kN/m;柱顶恒载3层为15 kN，其余为 30 kN;风荷载、地震荷载1层为9 kN及 15 kN，2层为18 kN及15 kN，3层为 24 kN及10 kN。钢材采用Q345B，螺栓10.9级M22，钢—混凝土组合楼盖，混凝土强度等级为C30，φ 19圆柱头焊钉作连接件，采用平端板半刚性连接组合梁框架，试设计该框架。

1)初步确定框架梁采用HN300×150×6×10，柱采用HW250×250×9×14，柱腹板设有加劲肋，配筋率0.8%，压型钢板波高76 mm，波距344 mm，现浇75 mm厚混凝土，如图 1所示，有关参数如表1所示。

表1 梁、柱有关参数

2)根据初步确定的组合梁尺寸，得 Ieq=2.428×108mm4，对于半刚性连接组合梁框架而言，取r=0.6～0.8比较经济合理，在此取 r=0.7，得 ieq=4.49×103kN◦m[6]。

采用底部剪力法对各楼层进行计算见表2。

FEK=Geqα1=1 293×0.04=51.7 kN 。

表2 底部剪力法的计算

根据表1，表2的有关参数，计算等效刚接框架的侧移，见表3。

表3 等效刚接框架侧移值

在风荷载及地震荷载作用下均满足规范要求(见表3)。根据规范要求，判断是否需考虑二阶效应，其计算结果见表4。

表4 等效刚接框架二阶效应

由计算结果可知本例不用考虑二阶效应。

3)框架整体结构极限承载力验算。

节点有关参数取值如下[6]:

计算半刚性连接组合梁框架的内功为:

外力所作功为:Wext=24×9+18×6+9×3=351＜Wint;

半刚性连接组合梁框架整体极限承载力满足要求。

4)组合梁正弯矩承载能力验算。

5)柱的极限承载力及稳定验算。

边柱总的轴向力为:N=604 kN;中柱总的轴向力为:N=1 040 kN。

同理可得边柱强度亦能满足要求。

稳定复核(中柱):φx=0.955，φy=0.890，N′EX=21 709 kN;

同理，边柱亦能满足要求。

6)节点设计:根据所确定的梁、柱尺寸及相应的节点刚度和承载力，半刚性组合梁、柱连接节点平端板采用200×14×330，节点构造见图2。

进行半刚性连接组合梁框架组合节点有关参数计算，所选用的节点满足刚度、弯矩承载能力及转动能力的要求[6]。

表5 三层两跨框架的经济性比较

3 经济评价

为了分析半刚性连接组合梁框架良好的经济性，将上例分别按不同结构形式进行设计，在满足相同要求的条件下，对其各自用钢量进行比较见表5。

4 结语

通过分析可以得出以下结论:1)对于半刚性连接组合梁框架可以采用简化设计方法进行设计;2)在水平荷载作用，满足相同要求的条件下，半刚性连接组合梁框架比其他形式钢结构框架具有较明显的经济优势，与常规刚接钢框架结构相比可节约钢材48%，具有良好的经济性。

[1] J.M.Cabrero，E.Bayo.Development of practical design methods for steel structures with semi-rigid connections[J].Engineering Structures，2005(27):1125-1137.

[2] Comite European de Normalisation(CEN).Eurocode No.3:design of steel structures，part 1.8 ，Design of Joints，prEN，1993-1-8.

[3] Steenhuis M ，Weynand K ，Gresnigt AM.Strategies for economic design of unbraced steel frames[J].Journal of Constructional Steel Research，1998 ，46(1-3):88-89.

[4] 王静峰.竖向荷载作用下半刚性连接组合框架的实用设计方法[D].上海:同济大学博士学位论文，2005.

[5] GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].

[6] 刘清平.水平荷载作用下半刚性连接组合框架的实用设计方法[D].上海:同济大学博士学位论文，2006.