组件法用于钢结构节点性能分析的研究进展.pdf

第 2 9卷 第 3期 2 0 1 2年 9月 建筑科 学与 J o u r n a l O f Ar c h i t e c t u r e 工程学报 a n d Ci v i l En g i n e e r i n g Vo 1 ． 29 NO ．3 Se p t ． 2 O1 2 文章 编号 1 6 7 3 2 0 4 9 2 0 1 2 0 3 0 0 8 1 0 9 0 组件法用于钢 结构节点性能分析的研 究进展 陈颖智 。 ， 童 乐为 ， 陈以一 1 ．同济大学 土木工程 防灾 国家重点实验室 ， 上海2 0 0 0 9 2 ；2 ．同济 大学 建筑工程系 ， 上海2 0 0 0 9 2 摘 要 为 了促 进 现行 欧洲规 范 E u r o c o d e 3推 荐 的 组件 法在 中 国钢 结 构 节点 性 能分析 中的应 用 ， 系 统地介绍了组件法的基本思想、 研究进展 、 分析方法及其在各 国的应 用， 讨论 了钢框架梁柱节点的 承 载 力、 转动 刚度 、 转动 能力和 耗能 能 力等节 点性 能 ； 根据研 究的 节点类 型 、 荷 载条件 和节 点性 能指 标 ， 对近 1 0多年 来组件 法在各 国钢 结构 节点 分析 中的 主要 应 用进行 了分类 总结 ； 最后 ， 指 出了组件 法在钢 结构 节点性 能研 究 中存 在 的 问题 和不足 ， 给 出了未来研 究工作 的建议 。 关键词 钢 结构 ； 节点性 能 ； 组件 法 ； 承载 力 ； 滞 回模 型 ； 综述 中图分 类号 T U3 9 1 文献标 志码 A Re s e a r c h De v e l o p me n t s o f Co mp o n e n t M e t h o d f o r Be ha v i o r o f J o i n t s i n S t e e l S t r u c t u r e s CH EN Yi n g z hi ，TONG Le we i 。CH EN Yi y i ， 1 ．S t a t e Ke y La b o r a t o r y f o r Di s a s t e r Re d u c t i o n i n Ci v i l En g i n e e r i n g，To n g j i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2， Ch i n a ；2 ．De p a r t me n t o f B u i l d i n g E n g i n e e r i n g ，To n g j i Un i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ，C h i n a Abs t r a c t I n o r d e r t o p r o m o t e t he a p pl i c a t i o n of c ompo n e nt me t hod r e c o m me n de d by c u r r e n t Eu r o c o d e 3 i n t h e a n a l y s i s o f b e h a v i o r o f j o i n t s i n s t e e l s t r u c t u r e s i n Ch i n a ，a u t h o r s g a v e a de t a i l e d i nt r od uc t i on o f ba s i c i de a，r e s e a r c h de ve l op me nt ，a n a l yt i c a l p r oc e d ur e a n d a pp l i c a t i o n of t h e c o mp o n e n t me t h o d a t h o me a n d a b r o a d ．Th e b e h a v i o r s o f b e a m t o c o l u mn j o i n t s i n s t e e l f r a me s s u c h a s b e a r i n g c a p a c i t y， r ot a t i o n s t i f f n e s s， r o t a t i on c a pa c i t y a nd e n e r gy d i s s i p a t i on c a p a c i t y we r e d i s c u s s e d ． B a s e d o n t h e j o i n t t y p e s ，l o a d i n g c o n d i t i o n a n d j o i n t p e r f o r ma n c e i n d e x ， ma i n a p p l i c a t i o n s o f t h e c o mp o n e n t me t h o d i n a n a l y s i s o f j o i n t s o f s t e e l s t r u c t u r e s i n r e c e n t t e n ye a r s we r e c l a s s i f i e d a nd s u m ma r i z e d． Fi na l l y， t he i n s u f f i c i e nc i e s i n r e s e a r c h o f c o m p o ne n t me t h o d f o r b e h a v i o r o f j o i n t s i n s t e e l s t r u c t u r e s we r e p o i n t e d o u t ，a n d t h e s u g g e s t i o n s t o b e i n ve s t i ga t e d i n t h e f u t ur e we r e a l s o p r ov i d e d ． Ke y wo r d s s t e e l s t r u c t u r e ；b e h a v i o r o f j o i n t ；c o mp o n e n t me t h o d；b e a r i n g c a p a c i t y；c y c l i c mo d e l ； r evi e w 引 节点是 2 个 或 2个 以上 的结 构构 件相 连接 的 区 域 ， 通常包括部分被连接构件、 节点区、 连接件等部 分。节点是钢结构体系中最复杂的部分 ， 耗费 占整 个 钢结 构费 用较大 的比重 。节点性 能包 括节 点 的 强 度 、 刚度 、 转 动 能力 和 耗 能 能力 等 要 素 ， 对 钢结 构 整 体 的刚度 、 稳定性 、 承 载能力 和抗 震性 能等有 重要 影 响 。随着钢 结构 的发展 ， 节 点形式 的不 断改进 ， 节 点性能呈现出多元性和复杂性 ， 节点研究一直是钢 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 0 6 基金项 目 国家 自然科学基金重点项 目 5 1 0 3 8 0 0 8 作者简 介 陈颖智 1 9 8 6 一 ， 男 ， 山东新泰人， 工学博士研究生 。 E - ma i l 0 9 y z c h e n t o n g j i ． e d u ． c n o 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 2 建 筑科 学与工程 学报 2 O 1 2生 结 构研 究的 主要领域 之一 ] 。 目前 ， 评估 节点性 能 的方法 主要有 3种㈨ 1 试 验研 究 。采 用足 尺或缩 尺 的节点试 验 ， 通 常可 以反 映节 点的 实 际 力学 行 为 ， 但 由 于试 验 较 昂 贵 ， 因此 常作 为节 点理 论 研 究 的验 证 手 段 。为 有效 利用 已有 的试验 数 据 ， 世 界范 围 内的试 验 数 据 库 已 建立 。如 Ab d a l l a等 在 S C D B项 目建立 的半 刚性 节点 数据库 1 9 5 0 ～1 9 9 4年 ； 葡萄 牙 米尼 奥 大学 和 布拉 大学在 欧洲项 目 C o s t P r o j e c t 建 立 的半 刚性 节 点数 据 库 S e R i WWW 1 9 8 5 ～ 1 9 9 8年 [ 5 ] ； 美 国 在 1 9 9 4年 No r t h r i d g e 地震后 成立 的 S A C委员 会在 对 钢框架 梁柱 节点 大量研 究后也 建立 了相应 的节 点试 验数据库 1 9 9 7 ～2 0 0 0年 I s ] 。数据库 的主要缺陷 是需要 长期 的管理 来更 新和升 级试验 数据 。 2 数值 模拟 。随着 计算 机的 飞速 发展 ， 采用 大 型有 限元 软件 对节点 进行 精细化 有 限元分析 成为 可 能 ， 但通常由于初始应力、 接触和几何缺陷等问题而 难 以准 确实 现模拟 ， 数值模 拟 常用于节 点参 数分 析 。 3 组件 法 。组 件 法 是将 节 点 拆 分 为多 个 基 本 组 件 ， 每个组 件 由线 性或非 线性 的弹簧 模拟 ， 通过 弹 簧的 串 、 并联 组合 计算 ， 将 各基 本 组 件进 行 组 装 ， 获 得 节点整体的力学行为。现行欧洲钢结构设计规范 E N l 9 9 3 一 卜8 2 0 0 2 l 7 j E u r o c o d e 3 ， 以 下 简称 E C 3 推 荐采 用 组件 法 进行 节 点设 计 ， E C 3的 附 录 J中给 出了定量描述组件贡献和组件组合的表达式 。组件 法 自 l 9 9 2年 引入 E C 3后 ， 广 泛 用 于 钢 结 构 的 节 点 力 学行 为 强 度 、 刚度 和转 动能力 研究 中 ， 并 得到 了 一一 便 于 工 程 设 计 的 分 析 模 型 和 实 用 计 算 方 法 。与试 验 研 究 和 数值 模 拟 相 比， 组 件 法 具 有 明确 的物 理 意义 ， 其 建 立 的力学 模 型 有 利 于理 解 节 点 的 工 作 机 理 ， 并 可 确 定 各 组 件 的 失 效 顺 序u 。 Ne t h e r c o t 认 为“ 组 件法 是模 拟不 同类型节 点 的强 度 、 刚度 和转 动能力 的共 同基础 ” ， 并将 其列 为 2 O世 纪 后半 叶节 点研究 的关键 进展 之一 。 近 年来 在 国外 ， 随着 组件法 研究 的不 断深入 ， 组 件 法在 节点性 能分 析 中的应 用 范 围 不 断扩 大 ， 在 不 同的节 点类 型 端板 连接 的梁 柱 节 点 、 梁 梁 节 点[ 】 、 卒间结 构节 点 、 不 同荷 载条 件 高 温 。 l 、 动 力IL l s I 下均 有 成 功 的 应 用 。在 中 国 ， 组 件 法 研 究 及 其应 用开 展较 晚 ， 石永 久 、 李 国强 、 陈 以一 等 最 先 开 始了这方面的研究工作 。研究主要集 中在端板连接 钢 梁柱 节点 静力性 能 常温下 节点转 动 刚度 【 。 。 。 、 承 载 力 ； 高温下 节点转 动 刚度 和承 载力 ， 以及 端 板 半 刚性 组 合 梁 柱 节 点 在 常 温 下 的静 力 性 能 承 载 力 、 转 动 刚度 。 目前 ， 中国对 于 组件 法 的基 础研究 较 少 ， 在 节 点 研 究 中 ， 采 用 组 件 法 的 比例 很 小 ， 应 用范 围也相 对 局 限 ， 有关 组件 法 的 系 统介 绍 ， 中 国文献很 少 。 鉴 于 此 ， 为促 进 组 件法 在 中 国钢 结构 节 点 分析 中 的应 用 ， 本 文 中笔 者 主要 介 绍 了组 件 法 的基 本 思 想 、 发展和应用， 并探讨了有待进一步研究的问题。 1 组件法 的基本思想和发展 1 ． 1 组件 法的基本 思想 梁柱 连接 和节 点 定 义 示 意 如 图 1所示 。现 行 的欧洲 规 范 E C 3采 用 组 件 法 预测 梁 柱 节 点 的 转 动行 为 。按照组 件 法 的思 想 ， 任 意 节 点均 可被 简 化 为 3个不 同 的区域 受拉 区 、 受压 区和 受剪 区 。在 每 个 区域 中 ， 由若 干变 形 源 称 为 “ 组 件 ” 组 成 了节点 的整体响应 。理论上， 若节点 的各基本组件得以合 理 的表 征 ， 组 件法 可 适用 于任 意 节点 形 式 和 任 意荷 载条 件l 2 。 节 点域 连接 节 点 图 1 梁 柱 连 接 和 节点 定 义 Fi g ．1 De f i ni t i o n o f Be am t o - c o l u m n Co nn e c t i o n a n d Jo i nt 组 件法 对一 个节点 的分 析过程 大致 包括 3个基 本步骤 ①对一给定节点， 确定有效组件； ②描述各 个组件 的本 构关 系 荷 载一 位 移关 系 ； ③ 将 所有 组件 装 配成 由弹簧 和刚 性杆 构 成 的 力学 模 型 ， 此 组 装 结 构 的荷 载一 位移 响应 即用于 模拟 整个 节 点 的弯 矩一 转 角关 系 。 图 2为基本 组件 模 型 。 图 2中， K 为 弹簧 轴 向 刚度 ， △为弹簧变形量， F为外荷载， F n a ， F 分别为 组件 达到 塑性和 极 限强 度 时 的外荷 载 ， △ 为组 件 的 变形 能力 ， 志 ， 是 分 别 为 组 件 的轴 向初 始 刚 度 和 屈 服后刚度 。节点的基本组件由非线性弹簧模拟 [ 图 2 a ] 。对于一般组件， 弹簧的本构关系可以简化为 理想 弹塑性 ， 计 算 精 度 也 有 所 保 证 ， 欧 洲 规 范 E C 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 陈颖智 ， 等 组 件 法用 于钢 结构 节 点性能 分析 的研 究进 展8 3 a 基 本组 件 的弹 簧 模型 b 基 本 组件 实 际和 近似 荷 载一 位 移 曲线 图 2基本组件模型 Fi g ． 2 M o d e l s o f Ba s i c Co mp on e n t 即是如此 假设 ， 认 为极 限后 刚度为 0 ， 并 未 考 虑应 变 硬化 和 几何非 线性 ， 对 节 点 组 件 的变 形 能 力也 未 有 精 确描述 。为 描述 组 件 的极 限后 行 为 ， 需 要对 刚度 和变 形 能 力 这 2个 特 性 参 数 进 行 描 述 。J a s p a r t 等 。 。 认为极限后行为可以用线性描述[ 图 2 b ] ， 并 提出了描述这 2 个参数 的简化方法 ， 针对不 同的组 件 给 出 了特 征参 数 的表 达式 。 图 3为外伸 式端板 连接 钢梁 柱节点 的组 件法模 型及其 等 效简 化模 型 。图 3中， M 为节 点 所受 的弯 矩 ， 为节 点 转 角 ， 为 节 点 高 度 。按 照 E C 3 ， 节 点 组件划 分见 表 1 。假设 ① 受 压 弹 簧 位 于 受 压 区 中 心 ， 即为梁 的下翼 缘 中心 ； ② 受拉 弹簧位 于相 应 的螺 栓排位 置 ， 螺栓 变形 与 其 到受 压 区 中心 的距 离 成 正 比， 力 的大 小取 决 于组 件 的刚 度 。每个 组 件 的本 构 关 系都 可 由试验 得到 的非 线性 荷载一 位 移 曲线 表征 ， 将这些组件组装成一个力学模型[ 图 3 b ] ， 通过弹 簧 的串 、 并 联组 合计 算 ， 可 评 估 节 点整 体 的承 载力 、 转动 刚度 和转动 能 力 等力 学 行 为 ， 并 获 得节 点 的弯 矩一 转角 曲线 。 对单 调加载 情 况 ， E C 3 P a r t 1 8中给 出 了 2 O种 基本 的节 点组件 的设计 抗 力 、 刚度 系 数 和转 动 能 力 表达 式 。 对循 环加载 情况 ， E C 3 P a r t 1 8中 尚未 给 出各 基 本组 件 的相应设 计信 息 ， 但 最新 的研究 表 明 ， 组件 法 的思 想可 以 由单 调 加 载延 伸 至 循 环加 载 情 况 ， 并 可 以通 过基 本 组 件 的耗 能 能 力 来 评 估 节 点 的 耗 能 能 力l 3 。与单调加载情况不同， 此时节点的组件 尚需 根据 是否 耗散 能量进 行划 分 ， 其 中 ， 为避免 板件受 压 屈 曲和螺 栓受拉 脆 性 失效 ， 不考 虑 受 压 板件 和受 拉 螺栓 参 与耗能 ， 即受 压 板 件 和受 拉 螺 栓 始终 处 于 弹 性 阶段 ， 不发 生 屈 服 滞 回耗 能 ， 故 主 要 的耗 能 组 件 受 剪 腹 板 ③受弯端板1 ；④受拉螺栓； ⑤受拉梁2 ；⑥受弯柱翼缘2 ； ⑦受弯端板2 ；⑧柱腹板2 ； ⑨ 受 拉螺 栓2 ；⑩ 受剪 柱 腹板 ⑩受压柱腹板； ⑥受拉梁翼缘 ⑨受压梁腹板 c E C 3 等效 模 型 d E C 3 简化 模 型 图 3 E C 3组件的弹簧模型及其简化模型 Fi g ． 3 S pr i ng M o de l a nd Si m p l i f i c a t i o n M o d e l f o r Compo ne nt s Gi v e n i n EC3 是 受 剪柱 腹板 、 受弯 柱翼缘 、 受 拉梁／ 柱 腹板 和受 弯 端板 ， 见表 1 口 。 。各 耗 能 组 件 的 滞 回模 型 可 由试 验获 得 ， 组 装得 到节点 整体 的滞 回模 型 ， 从 而可预 测 节点 在循 环荷 载下 的 响应 ， 由此 可 知 节 点通 过 各 耗 能组 件耗 散输入 的地 震能 量 的形 成 。进 行节 点设 计 时 ， 通过设 计组 件 的相 对强 弱 ， 即可控 制节 点 的耗 能 部位 、 顺序及耗能能力 。 表 1 E C3关 于 节 点 组 件 的 划分 T a b ． 1 Cl a s s i f i c a t i o n s o f Co mp o n e n t s o f J o i n t i n EC 3 区域 有效组件 是否耗能 受剪 区 受剪柱腹板 是 受 压 柱腹 板 否 受压 区 受压梁翼缘 否 受压梁腹板 否 受弯柱翼缘 是 受拉柱腹板 是 受拉 区 受弯端板 是 受拉梁腹板 是 受拉 螺栓 否 1 ． 2组件 法的发 展 1 9 9 2年 ， 组件 法 引入欧 洲钢 结构 设 计规 范 E C 3 E NV 一 1 9 9 3 一 l 一 1 ， 经过 不 断 的 改 进[ 3 ， 逐 渐 形 成 了现 行欧洲钢结构设计规范 E C 3 P a r t 1 8中的节点设计 方法 。E C 3中的组件 法 主要 适 用 于 纯 钢结 构 ， 其 节 点形 式 主 要是 欧 洲 热 轧 I 或 H 型 钢 构件 或 焊 接 组 合构 件 主轴相 连构成 的 ， 对其他 节点形 式 ， 并 未提 供 ∞ 一理 一 卅⑩梁 一 ⑨拉 T， j；⑩ ．_L_ ⑩ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 4 建 筑科 学与工程 学报 2 0 1 2年 相应组 件 的设 计公 式 。 为 了扩 大 组 件 法 的 应 用 范 围 ， 欧 洲 研 究 项 目 C OS T C 1的部分研 究 人员 对 E C 3附 录 J中未 包 含 的新组 件进行 了大量基 础性 研究 l_ 3 ， 获 得 了新 组 件 的力学行为 强度、 转动刚度和转动能力 ， 以期将之 转 化为 简单 易行 的设 计 方 法 ， 方便 工 程 设计 人 员 应 用 。研究 主要 涉及 ①节 点连接 方式 的改变 ， 如构 件 由强轴连接变为弱轴连接 图 4 ； ②构件截面类 型 的改变 ， 如厚 实构件 变为 薄柔构 件 ； ③ 构件 材料等 级 的改变 ， 普通强 度钢 材变 为高强 度钢材 ； ④构 件截 面 形状 的 改变 ， 由 H 或 I 型 钢截 面变 为空心管 截 面 。 n ] Z a 外 伸 式端 板 b 平 并 式端 板 c 翼 缘栓 接 d 腹 板栓 撰 图 4 钢 梁与 H型钢截面柱弱轴连接节 点 F i g ． 4 B e a m。 t o - H S e c t i o n Co l u mn M i n o r - a x i s J o i n t s 欧 洲钢结 构设计 规 范 E C 3 P a r t 1 8表 6 ． 1中给 出 了节 点基本 组件 强度 、 刚度 的设计 公式 ， 但对基 本 组件的转动能力仅作了粗略规定。为了提高节点延 性的预测精度 ， 精确地描述节点的全过程非线性弯 矩一 转角 曲线 ， S i mo e s D a S i l v a等 。 ] 基 于 等 效 后 屈 曲模型对焊接连接梁柱节点在弯矩作用下的强度、 刚度进 行预 测 ， 结 果与试 验结果 相 吻合 。同时 ， 对于 某些结 构 的梁柱 节点 如坡 屋 面 门式 钢 架 ， 梁 的轴 力较大 ， 不 可忽 略 ， 为此 ， S i mo e s D a S i l v a等 又将 其 模型扩展至弯矩和轴力共同作用下 的情况， 与试验 结果对 比表明 ， 其模 型 可 以 清晰 地 确定 节 点 全 过程 中轴力 和 弯矩 的相 互作 用 ， 从 而 精 确地 预测 节 点 的 全过程 力 学行 为 ； 此 模 型 也 可精 确 地估 计 节 点 的延 性行 为 ， 并 确定 各组件 的失 效顺 序 ， 为节点 的塑性设 计提供 了依 据 。但 此模 型较 为 复 杂 ， 提 出之 后 并 未 得 到广 泛应用 。 组件 法最 初是 用于 E C 3 钢 结 构 的节 点设 计 ， 后 来 ， 也 逐渐 用 于钢 混 组 合结 构 的节 点研 究 中。欧 洲 组合 结 构规范 EN 1 9 9 4 一 l 一 1 2 0 0 5 E u r o c o d e 4 ， 以下 简称 E C 4 就推荐采用 E C 3的组 件法作为组合 结 构梁 柱节 点 的设 计 基 础 ， 受 拉 钢筋 被 视 作一 种 与 钢结构节点 中的受拉螺栓类似的基本组件， 并给出 了相关 的设 计信 息 。 随着 钢结 构 节 点研 究 的不 断发 展 ， 对组 件法 也 提 出 了挑 战 。在组 件 法 应 用范 围不 断 扩展 的 同时 ， 针 对节点 基本组 件 的 研究 也 逐 渐 深入 ， 主要 涉 及 节 点 域 或 柱腹板 受剪 、 受压 的力 学 行 为 。半 刚性 节 点 是近些 年节 点研究 的热 点 ， 节 点域 是影 响半 刚 性 节点性 能 的重 要 因 素 ， 对 于节 点 域 在剪 力 和 压 力 作用下的模型 ， E C 3中的弹簧模型无法考虑节点的 尺 寸 ， 以及 节点 域 内力 的 相互 作 用 对 节点 域 变 形 的 影响， 故采用了一个变换参数 ， 此参数依赖于节点 域上的弯矩和剪力作用 ， 影 响弹簧 的刚度和 强度。 由于其初始值未知， 因此在计算时需要假设初始值 ， 然 后进 行 迭 代 计 算 。B a y o等口 指 出 ， 在 弹 塑性 分 析 时 ， 变换 参数 可 能导致 计算 不收敛 ， 并 且变 换参 数 的限值 0 ～2 可能引起 内力计算 的严重误差 。 为此 ， B a y o等 基于 组件法 的思 想提 出了一 种分 析 钢 结构 边部 和 内部 半 刚性 节 点 全 过程 行 为 的新 方法 ， 此方 法基 于一种 新 的有 限弹 塑性 四节 点 单元 ， 由此 避免 了采用 变换 参数 ．8 ， 也 就 避免 了迭代 过 程 ， 此 法 可扩 展至 三维框 架节 点 。 对于纯 钢结 构 ， E C 3中 弹塑 性 分 析 时采 用 了理 想弹塑性模型进行简化， 后来， 一些替代模型逐渐被 采 用 ， 如 Kr a wi n k l e r等 的 三线 性 模 型 针对 柱 腹 板 受 剪 ， 如 图 5所 示 以及 Ku h l ma n n和 Kt i h n e mu n d 模 型 针对 柱腹 板 受 压 ， 如 图 6所 示 。图 5中 ， 为 柱腹 板 承 受 的 剪 力 ， y为 柱 腹 板 的 剪 切 变 形 ， V ， V ， ， ， 4 7 分 别 为 对 应 于节 点 域 屈 服 和 柱 翼缘屈服时的剪力和剪切变形， K⋯， 为残余刚度。 图 6中 ， F 。 ， △ ⋯ 分别 为柱 腹 板 受 压 时 承 受 的 外 力 及 其 轴 向变 形 ， F ⋯- R d ， F⋯， ， △ ⋯ ， △⋯ 分 别 为 柱 腹 板达 到屈 服强度 和极 限强度 时 的外 力 和变形 。 图 5 Kr a wi n k l e r等 的 三 线 性 模 型 柱 腰 板 受 剪 F i g ． 5 Tr U i n e a r Mo d e l Co l u mn W e b i n S h e a r f r o m Kr a wi n kl e r e t a 1 ． E C 3中仅 给 出 了单 调 加 载 情 况 下 节 点 基 本 组 件 的设计 信息 ， 但在 地震 频发 的 国家 和地 区 ， 对 地震 作 用下 节点力 学行 为 的准 确 预测 更 加 重 要 ， 尤 其 在 1 9 9 4年美 国 No r t h r i d g e地 震 和 1 9 9 5年 日本 K o b e 地震 之后 ， 各 国学 者 对循 环 荷 载下 节 点 的力 学行 为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 6 建 筑科 学与工程 学报 2 0 1 2 年 表 2 组件法在各 国钢结构节点分析 中的主要应用 T a b ． 2 M a i n Ap p l i c a t i o n s o f Co mp o n e n t M e t h o d i n An a l y s i s o f J o i n t s o f S t e e l S t r u c t u r e s a t Ho me a n d Ab r o a d 节点类型 荷载条件 研究 内容 文献来源 承载力 文献[ 1 5 ] 初始转动刚度 文献[ 8 ] ， [ I 5 ] ， [ 2 3 ] ． 【 4 9 ] ， [ 5 o ] 端板连接梁柱节点 常温、 单调 、 静力 转动能力 文献[ i o ] 外伸式、 平齐式 弯矩一 转角曲线 文献[ 9 ] _ [ 2 o ] ， [ 3 1 ] ， [ 4 6 ] ， [ 5 1 ] 高温、 单调 、 静力 承载力 、 转动刚度 文献[ 2 4 ] 常温、 循环 、 静力 耗能能力 文献 [ 3 2 ] ， [ 3 3 ] 承载力 文献[ 1 1 ] ， [ 2 5 ] ， [ 2 6 ] ， [ 4 7 ] 半刚性梁柱组合节点 常温、 单调 、 静力 初始转动刚度 文献[ 1 1 ] ， [ 2 7 ] ， [ 5 3 ] 端板连接 、 角钢连接等 弯矩一 转角曲线 文献[ 1 2 ] 常温、 循环 、 动力 弯矩一 转 角曲线 文献[ 1 9 ] 半刚性主次梁组合节点 常温、 单调 、 静力 弯矩一 转 角曲线 文献[ 4 8 ] 粱梁节点 常温、 单调 、 静力 承载力 、 转动刚度 文献[ 1 5 ] 其他 柱脚节点 常温 、单调 、 静力 弯矩一 转角曲线 文献[ 4 5 ] 节点 类型 梁腹板连接节点 常温／ 高温、 单调 、 静力 承载力 、 转动 刚度 文献[ 5 2 ] 单层网壳节点 常温、 单调 、 静力 转动 刚度 文献[ 1 6 ] 变 化 ， 主要趋 势是 ① 由单调 荷 载 到循 环 荷 载 ； ② 由 静力作用到动力作用 ； ③ 由单一 弯矩作用到弯矩和 轴 力共 同作 用 ； ④ 由常温 到高温 。 3 研 究 目的 组 件法 目前 在钢结 构节 点性能 研究 中 的应 用不 断增 多 ， 主要用 以确定 节点 的 弯矩一 转 角 曲线或 基本 的力 学参数 承 载力 、 转动 刚度和转 动 能力 ， 特别是 组件法也开始用于钢结构节点耗能能力的分析。利 用组 件法 建立 的力 学 模 型对 节 点 进行 参 数 分 析 ， 确 定各组件对节点性能 的贡献 ， 明确节点的工作机理， 提 高节点 力学 行为 的预 测精 度 ， 提 出适 合 于工 程 设 计 的分析 模 型和实用 计算 方法 。 3 存在 的 问题和未来研究工作 的建议 结 合 已有 的研 究 ， 笔者 认 为组 件 法 在钢 结 构节 点 性能 研究 中 的应用 尚存 在 一些 问题 和 不足 ， 建议 至少需 要进 行 以下 4个方 面的深 入研究 1 组 件法 目前 主要应 用于 单调荷 载 、 静 力荷 载 条件下的节点性能研究 ， 对于循环荷载、 动力荷载条 件 下 的研 究还 较少 ， 其 中 ， 节点 的耗 能能力 对钢结 构 整体 的抗 震性 能有 着 重 要 的影 响 ， 是 需 要研 究 的重 点 。节 点 的耗能 能力是 节点 各耗 能组件 的耗 能能力 总和的体现 ， 文献[ 2 ] 中的研究结果表 明 节点的耗 能能 力可 由不 同组 件 提供 ， 不 同组 件 耗 能能 力 的 发 挥 和发挥 程度 ， 与相 关 的变形 模 式 及 不 同破 坏模 式 的 出现顺 序密 切 相 关 。在 节 点 耗 能设 计 时 ， 通 过 不 同耗能组件相对强弱 的设计 ， 便可控制节点的耗能 部位和顺序， 选择 最优 的耗能组合。I a n n o n e等和 L a t o u r 等对 组件 法 用 于循 环荷 载 下 节 点耗 能 能 力 的分 析 已进行 了初 步研 究 ， 但 节 点 耗 能组 件 的滞 回 模型精度仍有待进一步提高。 2 在地震 作 用和其 他极端 动力 荷载 下 ， 结 构应 具 有抵 抗局部 破坏 和倒塌 破坏 的能力 ， 这 就要求 一 方面 ， 节点 连接部 分应具 有 足够 的强度 、 延 性 和耗能 能力 ， 以避免节点连接破坏而引发结构整体连续性 破坏甚 至倒 塌 ； 另 一方 面 ， 节 点 域部 件 局 部 破坏 后 ， 节点仍需满足最低强度和耗能能力 的要求 ， 以保证 结构的整体性 。鉴于组件法的基本 思想及其在 钢结 构节 点性 能研 究 中 的应 用 情 况 ， 将组 件 法 应 用 于钢 结构 抗连续 性倒 塌破 坏 的节 点设计 也是 值得 探 讨 的一个 方 向 。 3 除地震作用外， 火灾引起 的高温作用也会对 钢结构 造成破 坏甚 至倒 塌 ， 对 于 高温 下 钢 结 构 节点 性 能 的研 究相 对 还 较 少 。组 件 法 目前 也 主要 应 用于 常温 条件 ， 由于 火 灾高 温 对 钢 材性 能 特 别 是 力 学性能影响显著 ， 故将组件法用于高温下节点性 能研 究 尚需进一 步 的 基础 性 研 究 ， 如 螺栓 等 基 本 组 件 在高温 下 的力学性 能 。 4 目前 E C 3 P a r t 1 8中规 范有 关 组 件 法 的规 定还不够完善， 例如 ①规范中钢材强度等级适用范 围 为 2 3 5 ～ 4 6 0 ， E N 1 9 9 3 - 1 1 2 2 0 0 7 也 仅仅 将 个别条文的钢材等级适用范围提高到 7 O O ， 当前高 强度 钢材发 展迅 速 ， 强 度 等级 已超 出 规范 的适 用 范 围 ； ② 规范 中一 些基 本 组件 的刚 度 和 转 动能 力 设 计 信 息 尚未 给 出 ； ③规 范 中梁 柱节 点 主要 是 H 型 钢或 I 型钢梁柱节点、 强轴相连形式 ， 对于方或圆钢管柱 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 陈颖智 ， 等 组件 法用 于钢 结构 节 点性 能分析 的研 究进展 8 7 I 型钢 梁 以及 弱 轴 相 连 的节 点 形 式 ， 未 给 出 相 应 组 件 的设 计公 式 ， 这 些 需 求都 为 未 来 组件 法 的深 入 研 究提供 了方 向。 4 结语 组件 法在 过去 的 2 O年里 ， 在钢结 构节 点性 能研 究 中得 到了广 泛应 用 ， 其 优越性 也逐 渐 凸显 ， 组 件法 已成为研 究节 点性 能 的一 种精 细化 的重要 工具 。本 文 中系统 介绍 和 总结 了组 件法 的基 本 思想 、 研究 进 展 、 应用 现状 、 存在 的 问题 和未 来需要 进 一步研 究 的 工作 ， 有助 于促进 组 件 法在 中 国钢 结构 节 点 研 究 中 的发 展和应 用 。 参 考文献 Re f e r e n c e s [1 ] B I J I A AR D F ． E u r o e o d e 3 ， a B a s i s f o r F u r t h e r D e v e l o p me n t i n J o i n t D e s i g n [ J ] ． J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n a l S t e e l Re s e a r c h， 2 0 0 6， 6 2 1 1 1 0 6 0 - 1 0 6 7 ． [ 2] 陈以一 ， 王伟 ， 赵宪忠． 钢结构体系中节 点耗能能力 研究 进展 与 关 键 技术 [ J ] ． 建 筑结 构 学 报 ， 2 0 1 0 ， 3 1 6 81 - 88 ． CHEN Yi - yi ． W ANG W e i 。 Z