刘伟 王光云 李大鹏

(吉林建筑工程学院土木工程学院，长春130118)

0 引言

由于20世纪60年代末到70年代初，钢框架结构梁与柱的节点连接形式通常由栓接转向栓焊或焊接.然而，在1994年美国的Northridge(北岭)地震(里氏6.7级)［1-3］与1995年的日本阪神地震(里氏7.2级)［4］中，曾经被人们一致认为焊接梁柱节点具有良好抗震性能，在震后却出现不同程度大范围的节点脆性破坏，特别是梁与柱翼缘连接处的焊缝区，大多节点在很低的塑性水平下出现了脆性断裂，几乎失去承载力.从而说明节点的脆性破坏是焊接连接存在的缺陷.

为了避免对钢框架结构梁柱连接在地震中出现脆性破坏，对此研究至关重要，随之许多新型的节点形式相继提出.在大量的工程实践中，钢框架梁柱连接半刚性节点脱颖而出，既可以传递弯矩，又能在梁柱之间产生一定的转角，这正是处于传统铰接节点与完全刚接节点所与众不同之处.所以，对钢框架梁柱连接节点的抗震性能的研究有着重要的理论价值和工程应用意义.

1 半刚性连接的类型

钢框架梁柱连接形式不同，节点性能各异.根据节点的刚度性能的不同，可将梁柱节点连接分为刚性、半刚性以及柔性3种类型.经实践表明，焊接刚性节点延性差，易发生脆性破坏;柔性连接节点刚度、耗能性差对抗震不利;半刚性连接是钢框架中特有的连接形式，主要通过螺栓和连接件把梁与柱连接起来.由于连接件的多样和连接位置的变化，半刚性连接主要有以下几种类型.

1.1 腹板双角钢连接

把两个角钢用焊接或者栓接形式连接在柱上以及到梁的腹板上，如图1(a).这种连接所承受的弯矩约是梁工作荷载下20%的全固端弯矩，同时也会由于梁的增高而加大.在AISC-ASD规范(1989)将这类节点称为简支连接或剪力连接.

1.2 矮端板连接

矮端板连接是由比梁高度小的端板长用焊接与梁相连，用螺栓与柱相连如图1(b)，这种节点连接的弯矩-转角特性与腹板双角钢连接相似，所以矮端板连接主要还是用于将梁的反力传到柱上.

1.3 顶底角钢连接

用两个角钢在梁的上、下翼缘处分别于梁和柱的翼缘相连接，如图1(c)是最典型的顶底角钢连接.经试验结果可知［5］，这类连接可以抵抗一些梁端弯矩，在循环荷载的作用下性能稳定，具有有效的耗能性.

1.4 带双腹板角钢的顶底角钢连接

这个连接就是把双角腹板连接和顶底角钢连接组合在一起，如图1(d)所示.此连接是典型的半刚性连接［6］.

1.5 外伸(或平齐)端板连接

如图1(e)端板连接可分为外伸短板连接和平齐端板连接两种形式.端板伸出梁的翼缘高强螺栓集中在翼缘周围为外伸式，同理设在两翼缘之间为平齐式，此类连接刚度较大.据试验结果认为［7］，端板厚度(宜取比柱翼缘厚度4 mm～6 mm)对连接延性有提高，防止脆性破坏.

1.6 T型钢连接

由上、下翼缘处的两个短T型钢，同通常高强螺栓与柱和梁相连，如图1(f)此连接是最刚劲的半刚性连接.根据实验结果可知［8-10］，T型钢翼缘厚度、腹板厚度的变化对整个节点的初始刚度和承载能力都有较大影响.

图1 常用的半刚性连接类型

2 半刚性连接的受力特性

梁柱节点是连接梁与柱且传递的是一组广义力，包括剪力、轴力、弯矩、扭矩，由于在侧向设置支撑扭矩则可忽略，还与转动变形相比的剪力和轴向变形就很小了，也可忽略不计.目前，从使用角度来看只需研究弯矩的传递.梁柱连接处弯矩M和梁柱相对转动角θ之间的关系用M－θ表示，如图2所示.

图2 连接弯矩M－θ转角的约束关系

(1)从图2来看，所有的半刚性连接都应属于非线性的;

(2)所在竖直轴表示的是完全刚性情况，水平轴则表示的是理想铰接情况;

(3)当弯矩相同时，半刚性连接的柔性越大，θ值则就越大;反之，当θ值一定时，柔性变大时则弯矩会变小;

(4)所有半刚性连接当传递最大弯矩时，会随着柔性的连接减小.

在半刚性连接中，刚性太大，延性就差，易发生脆性破坏，刚性较低对结构变形不利，所以从中腹板顶底角钢连接让人更加关注，并具有明显非线性特征，弯矩M会随转角θ的增加而缓慢增加.双腹板顶底角钢半刚性连接在周期作用下初始刚度与构件的初始特征有关.

3 铸钢件半刚性连接节点的滞回关系

目前，我国铸件节点在大跨度空间中得到广泛应用，铸钢节点连接随铸造技术和材料性能的提高也不断地完善.图3是铸钢件有限元模型.

图3 铸钢件有限元模型

半刚性连接节点的滞回关系是指在加载到卸载然后再加载的反复过程中的约束关系.如图4所示，Ms为连接的初始屈服弯矩，Mp为连接的塑性弯矩，k0为连接的初始刚度，kp为连接的强化刚度.梁柱半刚性连接卸载时的约束刚度与初始刚度相等.

图4 半刚性连接的滞回关系

目前在高层结构设计中，抗震性能的好坏决定了结构应用的深度与广度.在罕遇的地震作用下，结构会出现相当大的塑性变形，呈现较大的滞回曲线特征，使地震响应比较复杂.而对于节点的抗震性能，目前主要的研究方法是采用循环加载，分析节点的滞回曲线计算各种抗震性能指标，进而判断节点的抗震好坏，并通过抗震概念设计来实现.

4 结论

大量研究表明，半刚性节点具有良好的耗能抗震能力和塑性变形能力，再加上安装制作简便，所以应用越来越广泛.但对带双腹板顶角钢半刚性连接进行非线性分析时，半刚性节点连接组合中，螺栓孔、螺栓、连件之间承压接触引起应力和应变集中等复杂情况，仍存在很多问题，有待对半刚性节点做更进一步研究.

［1］Engelhardt M.D.＆Sabot T.A.Seismic-Resistant Steel Moment Connections:Development Since the Northridge Earthquake［M］.Construction Research Communications Limited，1997:1365-1556.

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