半刚性连接钢框架结构体系优化设计论文.docx

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半刚性连接钢框架结构体系优化设计论文

半刚性连接钢框架结构体系优化设计论文

半刚性连接钢框架结构体系优化设计研究

【摘要】在钢框架设计中，梁柱节点的连接通常需要设计人员在进行具体设计前凭借自己以往的设计经验进行设定，这样设计的弊端在于连接形式的差异对框架结构造成的影响也存在差异性，由此导致框架的整体性能分析就存在不足。

为促进框架结构体系优化设计在实际的工程应用能够发挥其价值，因此在考虑框架整体体系的基础上，对半刚性连接钢框架结构体系优化设计方法的设计思路进行了深入分析，并对主动半刚性连接设计方法的作用进行了细致的探讨和阐述，希望能给同行提供一些参考。

在进行钢框架设计的过程中，通常会假设梁柱连接为完全的钢接或铰接。

但是在钢框架的实际施工中，往往发现钢实际的框架连接效果仅能在两个连接状态之间，在实践中梁柱节点既能够传递弯矩，在梁柱间又会出现一个相对的转角，达不到完全的刚性连接和铰接连接标准，因此将这种实际的刚连接状态称为半刚性连接。

在以往进行钢结构框架设计过程中，钢框架的初始结构体系会被预先进行固定，这样的设计模式没有对半刚性连接的差异对其所造成的框架结构力学性能影响的差异进行考虑，如果固定了框架结构体系的基础上再进行结构设计的工作，那么就难以结构的性能进行整体性的把握，最终的设计结构会存在一定的缺陷。

如今进行工程结构优化的发展已经逐渐成熟，传统的设计模式会因为实际应用中的缺陷被替代，本文结合实际，提出了有效的框架结构设计方法，能对结构优化设计起到的进步有推动作用。

二、主动半刚性连接设计

1、主动半刚性连接设计的概念

在进行钢结构连接设计时，常将框架的梁柱节点的连接假定成较为理想化的铰接和刚接，标准是当转动的约束只要达到理想化完全刚接的80%，那么可以将之视为刚接；而如果梁柱轴线夹角的变动幅度可以达到理想化完全铰接的90%，那么可以将之视为铰接。

因此，相对而言钢框架的半刚性连接设计就有其自身的特点，但在以往进行钢框架结构设计时，往往没有考虑到：

如果钢结构的连接形式存在差异，那么半刚性本构模型就会相应的表现出差异特征，并且对框架结构造成的影响也存在差别。

应用的半刚性连接方法相异，最后分析结构性能得到的结果就不相同，因而结构设计的方案也会存在差异。

同时，即使在同种框架结构当中，应用不同的半刚性连接方法组合和应用相同半刚性连接方法，最终对于整个钢结构造成的力学影响也是不同的。

刚结构连接的状态实际上都显示了半刚性的变形特性，图1为各种连接状态下的弯矩—转角曲线。

我们从图1可以发现，钢结构框架设计中假定完全刚接会夸大节点约束的作用，不利于结构稳定性；但如果按完全铰接进行设计，那么就没有能够有效利用节点约束的作用。

所以，在钢结构设计中，准确地对钢结构连接的半刚性特性以及其对结构整体受力性能的影响进行评估，就极其重要。

在传统的设计过程中，首先进行半刚性连接方法的确定和建立本构模型的做法，并没有把连接方法结合在结构整体设计之中，本文针对这个问题提出相应的设计方法，以发挥通过主动半刚性连接形式提高结构的力学性能的作用，这种方法和传统被动式的预定半刚性连接相对，因而被称为主动半刚性连接设计方法。

图1各类型连接的弯矩—转角曲线

2、主动半刚性连接设计的方法

将钢框架结构的连接形式做为设计过程中的变量，那么就可以通过连接形式的排列组合，进行拓扑布置以构成钢框架体系的多种形式，但是在设计中需要对结构的强度、位移等条件的限制进行考虑。

在进行设计时，钢框架体系的确定需要对应连接形式的判别准则，因此从不同角度进行判别的准则就有很多种。

本文结合实际的设计当中的具体要求，以较为简单的连接形式判别准则——承载力因子准则进行举例说明，以钢框架的承载力因子作为框架连接形式选择的重要标准。

所谓承载力因子（以Γ表示），就是钢框架在经受外力荷载作用时的钢梁柱构件的内力和构件的承载力比值的标准差值，具体运算如公式

（1）所示。

当框架构件的承载力达到标准要求，以Γ≥0表示；当框架构件的内力超出了承载力要求的标准范围时，以Γ=-1表示。

如果将第m个与第n个框架连接形式方案通过承载力因子Γ进行判别，若Γm≥0，Γn≥0，Γm≥Γn，那么就可以得出结论第m个与第n个连接形式方案相比，在钢框架构件的承载力利用方面就有优势，选择第m个方案就更为适宜。

（式1）

在上式

（1）中，Mi表示钢框架在荷载的作用下，框架构件的内力的最大值；Mui表示钢框架构件在相应条件下的最大承载力。

通过利用承载力因子进行判别的准则可以发现，以分析承载力因子的方法，可以对连接形式在框架结构中的作用进行基础性评价，为选择连接方式的拓扑布置方案提供依据。

三、主动半刚性连接优化设计

由于在进行半刚性连接方案的选择和框架单元连接设计的过程中，要考虑两者间的相互影响，因此，仅从不同的半刚性连接选择对框架结构承载力因子的角度进行讨论是不够的。

在对框架性能进行评价从而选择框架的连接形式时，可以考虑的角度包括强度，框架侧移，抗震性能等等。

进行主动半刚性连接设计的程序更为复杂，在设计中可以主动地中找出最优的半刚性连接方法，从而优化框架结构的力学状态，这与传统的假设—校核—再设计的设计模式有效避免可行解的局限性。

当前主动半刚性连接优化设计的设计思路已经发展相对成熟：

通过将半刚性连接形式、钢框架单元的截面尺寸作为设计方案中的变量，在满足强度、刚度规范标准的条件下，结合框架总造价进行考虑，则需要对钢框架模型进行优化设计。

计算钢框架造价，需要考虑材料及制作安装的费用。

如今由于产能过剩，钢材价格正处在下行通道中，但是我国的人工费用不断增加，因此在安装个制造即连接费用上的预算投入会相对较高，并且在结构总造价中的占比会不断增加。

因此，在钢框架结构进行优化的实践过程中，要对连接费用进行仔细的考虑。

通常在实践中进行梁柱节点的连接会以螺栓连接方法，因此，在总造价就与螺栓连接的个数存在一定的关系，并且钢结构的刚度差异和框架连接的复杂度也有关系。

常见的连接类型有单腹板角钢连接、双腹板角钢连接、短端板连接、顶底角钢连接等等。

因此，主动半刚性连接框架结构的优化设计就变得更加重要。

四、结束语

传统的半刚性连接设计中，预先将框架连接形式进行固定后再进行框架结构设计的方法由于实际应用中显现出的缺陷和不足，逐渐被主动半刚性连接设计所取代。

主动半刚性连接设计方法将梁柱节点的连接方式作为设计中的变量进行考虑，结合框架结构单元性能和结构连接形式的相互影响，保证框架结构优化设计的整体性。

参考文献

[1]陈绍蕃.钢结构设计原理[M].北京：

科学出版社，2001.

[2]陈惠发，周绥平.钢框架稳定设计[M].上海：

世界图书出版社.2010

[3]陈惠发.钢框架稳定设计.上海世界图书出版公司.2011.264～268.388～395

[4]王新武.钢框架半刚性连接性能要求，武汉理工大学学报2012.11.第24期

[5]童根树.钢结构设计方法.中国建筑工业出版社.2012.105～107

半刚性连接钢框架结构体系优化设计研究

【摘要】在钢框架设计中，梁柱节点的连接通常需要设计人员在进行具体设计前凭借自己以往的设计经验进行设定，这样设计的弊端在于连接形式的差异对框架结构造成的影响也存在差异性，由此导致框架的整体性能分析就存在不足。

为促进框架结构体系优化设计在实际的工程应用能够发挥其价值，因此在考虑框架整体体系的基础上，对半刚性连接钢框架结构体系优化设计方法的设计思路进行了深入分析，并对主动半刚性连接设计方法的作用进行了细致的探讨和阐述，希望能给同行提供一些参考。

在进行钢框架设计的过程中，通常会假设梁柱连接为完全的钢接或铰接。

但是在钢框架的实际施工中，往往发现钢实际的框架连接效果仅能在两个连接状态之间，在实践中梁柱节点既能够传递弯矩，在梁柱间又会出现一个相对的转角，达不到完全的刚性连接和铰接连接标准，因此将这种实际的刚连接状态称为半刚性连接。

在以往进行钢结构框架设计过程中，钢框架的初始结构体系会被预先进行固定，这样的设计模式没有对半刚性连接的差异对其所造成的框架结构力学性能影响的差异进行考虑，如果固定了框架结构体系的基础上再进行结构设计的工作，那么就难以结构的性能进行整体性的把握，最终的设计结构会存在一定的缺陷。

如今进行工程结构优化的发展已经逐渐成熟，传统的设计模式会因为实际应用中的缺陷被替代，本文结合实际，提出了有效的框架结构设计方法，能对结构优化设计起到的进步有推动作用。

二、主动半刚性连接设计

1、主动半刚性连接设计的概念

在进行钢结构连接设计时，常将框架的梁柱节点的连接假定成较为理想化的铰接和刚接，标准是当转动的约束只要达到理想化完全刚接的80%，那么可以将之视为刚接；而如果梁柱轴线夹角的变动幅度可以达到理想化完全铰接的90%，那么可以将之视为铰接。

因此，相对而言钢框架的半刚性连接设计就有其自身的特点，但在以往进行钢框架结构设计时，往往没有考虑到：

如果钢结构的连接形式存在差异，那么半刚性本构模型就会相应的表现出差异特征，并且对框架结构造成的影响也存在差别。

应用的半刚性连接方法相异，最后分析结构性能得到的结果就不相同，因而结构设计的方案也会存在差异。

同时，即使在同种框架结构当中，应用不同的半刚性连接方法组合和应用相同半刚性连接方法，最终对于整个钢结构造成的力学影响也是不同的。

刚结构连接的状态实际上都显示了半刚性的变形特性，图1为各种连接状态下的弯矩—转角曲线。

我们从图1可以发现，钢结构框架设计中假定完全刚接会夸大节点约束的作用，不利于结构稳定性；但如果按完全铰接进行设计，那么就没有能够有效利用节点约束的作用。

所以，在钢结构设计中，准确地对钢结构连接的半刚性特性以及其对结构整体受力性能的影响进行评估，就极其重要。

在传统的设计过程中，首先进行半刚性连接方法的确定和建立本构模型的做法，并没有把连接方法结合在结构整体设计之中，本文针对这个问题提出相应的设计方法，以发挥通过主动半刚性连接形式提高结构的力学性能的作用，这种方法和传统被动式的预定半刚性连接相对，因而被称为主动半刚性连接设计方法。

图1各类型连接的弯矩—转角曲线

2、主动半刚性连接设计的方法

将钢框架结构的连接形式做为设计过程中的变量，那么就可以通过连接形式的排列组合，进行拓扑布置以构成钢框架体系的多种形式，但是在设计中需要对结构的强度、位移等条件的限制进行考虑。

在进行设计时，钢框架体系的确定需要对应连接形式的判别准则，因此从不同角度进行判别的准则就有很多种。

本文结合实际的设计当中的具体要求，以较为简单的连接形式判别准则——承载力因子准则进行举例说明，以钢框架的承载力因子作为框架连接形式选择的重要标准。

所谓承载力因子（以Γ表示），就是钢框架在经受外力荷载作用时的钢梁柱构件的内力和构件的承载力比值的标准差值，具体运算如公式

（1）所示。

当框架构件的承载力达到标准要求，以Γ≥0表示；当框架构件的内力超出了承载力要求的标准范围时，以Γ=-1表示。

如果将第m个与第n个框架连接形式方案通过承载力因子Γ进行判别，若Γm≥0，Γn≥0，Γm≥Γn，那么就可以得出结论第m个与第n个连接形式方案相比，在钢框架构件的承载力利用方面就有优势，选择第m个方案就更为适宜。

（式1）

在上式

（1）中，Mi表示钢框架在荷载的作用下，框架构件的内力的最大值；Mui表示钢框架构件在相应条件下的最大承载力。

通过利用承载力因子进行判别的准则可以发现，以分析承载力因子的方法，可以对连接形式在框架结构中的作用进行基础性评价，为选择连接方式的拓扑布置方案提供依据。

三、主动半刚性连接优化设计

由于在进行半刚性连接方案的选择和框架单元连接设计的过程中，要考虑两者间的相互影响，因此，仅从不同的半刚性连接选择对框架结构承载力因子的角度进行讨论是不够的。

在对框架性能进行评价从而选择框架的连接形式时，可以考虑的角度包括强度，框架侧移，抗震性能等等。

进行主动半刚性连接设计的程序更为复杂，在设计中可以主动地中找出最优的半刚性连接方法，从而优化框架结构的力学状态，这与传统的假设—校核—再设计的设计模式有效避免可行解的局限性。

当前主动半刚性连接优化设计的设计思路已经发展相对成熟：

通过将半刚性连接形式、钢框架单元的截面尺寸作为设计方案中的变量，在满足强度、刚度规范标准的条件下，结合框架总造价进行考虑，则需要对钢框架模型进行优化设计。

计算钢框架造价，需要考虑材料及制作安装的费用。

如今由于产能过剩，钢材价格正处在下行通道中，但是我国的人工费用不断增加，因此在安装个制造即连接费用上的预算投入会相对较高，并且在结构总造价中的占比会不断增加。

因此，在钢框架结构进行优化的实践过程中，要对连接费用进行仔细的考虑。

通常在实践中进行梁柱节点的连接会以螺栓连接方法，因此，在总造价就与螺栓连接的个数存在一定的关系，并且钢结构的刚度差异和框架连接的复杂度也有关系。

常见的连接类型有单腹板角钢连接、双腹板角钢连接、短端板连接、顶底角钢连接等等。

因此，主动半刚性连接框架结构的优化设计就变得更加重要。

四、结束语

传统的半刚性连接设计中，预先将框架连接形式进行固定后再进行框架结构设计的方法由于实际应用中显现出的缺陷和不足，逐渐被主动半刚性连接设计所取代。

主动半刚性连接设计方法将梁柱节点的连接方式作为设计中的变量进行考虑，结合框架结构单元性能和结构连接形式的相互影响，保证框架结构优化设计的整体性。

参考文献

[1]陈绍蕃.钢结构设计原理[M].北京：

科学出版社，2001.

[2]陈惠发，周绥平.钢框架稳定设计[M].上海：

世界图书出版社.2010

[3]陈惠发.钢框架稳定设计.上海世界图书出版公司.2011.264～268.388～395

[4]王新武.钢框架半刚性连接性能要求，武汉理工大学学报2012.11.第24期

[5]童根树.钢结构设计方法.中国建筑工业出版社.2012.105～107