门式刚架梁柱转角节点域斜向加劲肋选型讨论
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摘要：对门式刚架转角节点域斜加劲肋选型进行分析讨论，在得出最经济实用的斜向加劲肋形式后，给出推荐的斜向加劲肋设置形式。
关键词：刚架；节点域；加劲肋
中图分类号：C35文献标识码： A
1引言
轻钢门式刚架梁柱转角节点在柱翼缘与横向加劲肋所包围的腹板区域称为节点域，在梁柱端力作用下以剪切变形为主。为保证节点域的强度与局部稳定，CECS 102:2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程第》[1]第7.2.10条规定，节点域板厚度在不满足剪应力验算要求（式1、式2）的情况下应加厚腹板或设置斜加劲肋，斜加劲肋可采用规范所推荐的形式或其它合理形式。
式（1）
式（2）
注：
规范仅给出了一种端板竖放情况下斜向加劲肋的设置样式，如图1，并未对其设置理由和加劲肋构造细节做更多说明。实际工程设计当中的情况复杂多变，设计人员对加劲肋构造形式的选择并不统一，所以对门式刚架梁柱转角节点加劲肋选型进行比较是十分必要的。
图1
2节点域加劲肋设置的必要性
在工程实际设计当中，设置节点域加劲肋的必要性并未引起设计人员的足够重视，甚至认为对抗震的能量耗散是不利的。然则在经过大量的试验和模拟分析后，发现在不设置加劲肋情况下，无论端板采用何种放置形式的节点，其刚度均未能达到理想刚节点的要求[2]。抗震设计应做到“强节点弱杆件”以提高结构延性，要求节点不先于梁柱破坏，半刚性节点的变形必将导致结构位移的增大和承载力的降低。而且由于轻钢门式刚架跨度小，屋面荷载轻，即使在8度和9度多遇地震作用下，承载力依然能够满足抗震要求[3]。因此，若为得到较强的能量耗散能力而将节点设计成半刚性是不必要的。节点域抗剪加劲肋的设置，可以起到减小节点剪切变形、增大刚度的作用。
另一方面，根据对有无斜向加劲肋节点的承载力试验结果的分析，发现正交梁柱节点域有斜向加劲肋的节点其屈服强度明显大于无斜向加劲肋的节点，前者的承载能力较后者提高约40%~60%[4][5][6]，即使在节点存在缺陷情况下，因为有加劲肋的存在，节点的极限承载力也与无缺陷节点的极限承载力基本接近，并远高于无加劲肋节点[8]。综上所述，节点域加劲肋的设置是十分必要的。
3节点域加劲肋的构造形式与选型
常见的节点域斜向加劲肋形式有“\”形、“/”形单向设置及“×”形双向设置（见图2）。
图2
对比双向设置形式和单向设置形式，前者较后者的屈曲荷载与极限承载力虽有提高，但幅度并不大，且二者耗能比相等[7]，但从构件制作工艺上来讲，双向设置形式的加工难度远大于单向设置形式，施焊也较困难，且过多的焊缝在截面中产生焊接残余应力对节点域屈曲的不利影响也是不容忽视的。
对于两种单向设置形式来说，“/”形式加劲肋的破坏首先出现在节点域的翼缘处，但节点域腹板已出现少许破坏，基本保证了“强节点弱杆件”的设计要求；“\”形式加劲肋的破坏首先出现在节点域外的翼缘处，而节点域腹板基本没有破坏，保证了“强节点弱杆件”的设计要求[9]。这是因为在梁、柱端弯矩作用下，节点域的受力可等效为图3所示，在水平剪力Qh与竖直剪力Qv作用下，板的变形趋势如图4所示，在AC方向形成主压应力，BD方向形成主拉应力，板在主压应力达到临界荷载后不能继续加载，而主拉应力仍可继续加载。当采用“/”形式加劲肋时，斜向加劲肋不能分担主压应力，仅在主拉应力方向起作用，对节点域板在主压应力下的受压屈曲没有约束，而节点变形的主要原因就是节点域板的受压屈曲；当采用“\”形式加劲肋时，斜向加劲肋承担了节点域板以外的主压应力，并对节点域板提供有效约束，使其在主压应力方向上可以继续承载，提高了节点整体刚度及承载力，所以“\”形式加劲肋是最为可行的一种方法。
图3 图4
当采用“\”形式加劲肋时，如果加劲肋两端与节点域翼缘角点连接，则会造成该处焊缝过于集中，不利于施焊，焊接质量也难以保证，反复焊接热循环将导致该处的焊接残余应力分布十分复杂。由于残余应力的存在，在加载后，截面应力分布不均匀，在外应力和残余应力的共同叠加区域应力会先达到屈服点，使截面出现塑形区，提前进入弹塑性状态，从而减少了继续承载的有效面积而使变形增大，构件的刚度相应减小。翼缘屈曲方向没有明显规律也和残余应力的存在有关[5]。为避免残余应力和焊缝集中的不利影响并且保证螺栓安装空间，建议将斜向加劲肋两端连接焊缝与节点域翼缘焊缝错开设置，而与横向加劲肋连接，焊缝可根据实际需要向腹板偏移50mm~100mm。为保证横向加劲肋在加劲肋连接处不致失稳，可在斜向加劲肋与横向加劲肋连接处的另一侧设置纵向构造短加劲肋，长度可取100mm~150mm，厚度可与斜向加劲肋同厚，构造如图5。
图5
文献[9]推导了节点域加劲肋截面面积的计算公式[9]，一般情况下加劲肋宽度宜与横向加劲肋宽度相等，使二者外缘在同一平面上，则加劲肋厚度可按式3计算，但最小厚度不应小于6mm。
式（3）
注：
4结语
轻钢门式刚架梁柱转角节点域加劲肋的设置对节点的刚性化设计是十分有利且必要的。“\”形式斜向加劲肋的设置可以有效承担节点域板在该方向上的主压应力力，并对节点域板产生有效约束，是提高节点承载力和刚度最为经济实用的设置形式。为避免残余应力的不利影响和保证螺栓安装空间，本文给出了一种斜向加劲肋的推荐设置形式供设计人员在实际工作中参考使用。而残余应力对节点域加劲肋的屈曲和节点承载力的影响还有待进一步研究。
参考文献
[1]《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》―CECS102:2002
荆军,石永久. 节点刚度对轻型门式刚架结构设计的影响[J]. 工业建筑,2000,05:58-61.
[2]林建京. 门式刚架含缺陷外伸式端板梁柱节点有限元分析与试验研究[J]. 建筑结构,2012,01:70-74.
[3]王振山,苏明周,李启才,申林. 单层单跨变截面轻型门式刚架拟静力试验研究[J]. 土木工程学报,2012,07:24-30.
[4]王宇,刘永军,李豪邦. 门式刚架转角节点加劲肋设置试验研究及有限元分析[J]. 建筑结构,2010,04:31-33.
1．王宇,刘永军,李豪邦. 门式刚架转角节点构造设计研究[J]. 四川建筑科学研究,2010,05:34-36+41.
2．王宇,刘永军,李豪邦. 门式刚架转角节点加劲肋设置探讨及有限元分析[J]. 钢结构,2008,12:9-12.
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4．刘高波,许嵘,顾强. 节点域斜加劲肋设计计算方法[J]. 建筑结构,2007,10:60-62.
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