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《钢结构设计标准》解说专题(6)—节点域设计

转自:钢结构设计-公众号


来源:“从钢结构到装配式钢结构建筑”

节点域是钢框架梁柱连接节点区域的一个特定部位,在《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010,简称“”抗规”)和《转自:钢结构设计-公众号规范》(GB 50017-2003,简称“钢规”)中都有一些相关计算和构造的规定。然而在设计时,经常有一些疑问存在。

《转自:钢结构设计-公众号标准》(GB 50017-2017,简称“钢标”)中涉及节点域的内容进行了全新的梳理和改动,动作很大,有必要专门来谈谈,以便说清楚节点域相关规定的来龙去脉。

 

一、节点域的受力特征

节点域,其实就是梁柱交接处一块基本只承受纯剪的板,如下图,两侧梁端的弯矩,在节点域通过纯剪切受力进行内力的传递(如果忽略梁柱的轴力、剪力)。这一受力特征决定了,节点域剪应力可用梁端弯矩的和除以节点域体积得到(钢标公式12.3.3-3)。 

《转自:钢结构设计-公众号标准》解说专题(6)---节点域设计

 

二、钢标的节点域承载力计算

先看规范条文。很明显,除了节点域体积增加了箱型截面柱和圆管柱的计算公式外,引入了一个节点域抗剪强度。计算方式和以前一样。 

《转自:钢结构设计-公众号标准》解说专题(6)---节点域设计

节点域抗剪强度和受剪正则化宽厚比相关,计算如下: 

《转自:钢结构设计-公众号标准》解说专题(6)---节点域设计

解释一下:

(1)以往的钢规中,都是默认了节点域不发生弹性屈曲的,所以节点域强度均采用了抗剪强度设计值的4/3倍。

抗剪强度设计值提高为4/3倍,由来已久,是参考了日本钢结构相关规范的公式,以考虑略去柱剪力(一般的框架结构中,略去柱端剪力项,会导致节点域弯矩增加约1.1~1.2倍)、节点域弹性变形占结构整体的份额小、节点域屈服后的承载力有所提高等有利因素。由于这个4/3已经深入人心,钢标没改,可以看到在第3款的1)中体现了。另外注意,门规是个例外,自己意识到板件一般很薄,没采用4/3,只是采用了1.0,未考虑节点域抗剪强度提高(可就是没意识到,薄到一定程度,可能弹性屈曲,连fv也可能达不到呢?)

(2)钢标新引入了节点域受剪正则化宽厚比。按照板壳稳定理论,节点域受剪可能发生弹性屈曲,因此抗剪承载力与其宽厚比紧密相关,而以往规范中不区分节点域板宽厚比统一取抗剪强度的做法是不对的。即,正则化宽厚比0.6以下,抗剪强度fps取(4/3)*fv(参考了日本相关规范的试验研究情况,抗剪强度取(4/3)*fv的正则化宽厚比上限为0.52)。另外考虑正则化宽厚比0.8为塑性和弹塑性屈曲的拐点,抗剪强度不再适合取(4/3)*fv,只能取fv。因此,正则化宽厚比在0.6到0.8之间作为过渡段,抗剪强度也在(4/3)*fv和fv之间插值处理。这也就是12.3.3的第3款抗剪强度取值的由来。

(3)门式刚架轻型房屋等采用薄柔截面的单层和低层结构,考虑到节点域腹板不宜过薄,正则化宽厚比上限取为1.2。

另外,条文说明表示,承载力验算式的适用范围为正则化宽厚比0.8~1.4,应是前后没统一的问题,显然正文中上限已经改为了1.2(如果你足够细心,就会发现这个上限1.4出现在了征求意见稿中,如下)。 

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(4)再看一下公式12.3.3-1和-2,是不是似曾相识?是的,上一个专题中梁腹板的受剪局部屈曲用到过。框架梁梁端腹板和节点域的正则化宽厚比计算公式是一样的。另外腹板受剪屈曲应力的计算方式形式也一样,只是公式参数略有不同。从本质而言,都是受剪板的弹性屈曲承载力问题。 

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三、钢标节点域的抗震设计

计算公式如下: 

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(1)上述公式计算区分了结构构件延性等级,按照不同的延性等级分别进行计算。延性等级为I和II级,表示结构设计按延性耗能的思路进行,梁端会进入塑性并且强化,因此公式左侧的弯矩采用了梁端的全塑性受弯承载力。同时节点域不会太薄柔(参见后面的节点域构造要求),抗剪强度取4/3fv;延性等级为III级以上,则梁端不进入塑性或进入塑性有限,因此公式左侧采用了设防地震性能组合下的弯矩,抗剪强度则采用了fps,按实际宽厚比计算。

(2)上述公式17.2.10-1的思路与抗规中节点域与梁端同步进入塑性节点域略弱的思路有所差异,系参考日本的相关规定,要求节点域不先于梁柱进入塑性(日本规定中,如果节点域先于梁柱屈服,则在框架二次设计的水平受剪承载力验算时必须考虑节点域屈服带来的影响,而我们的规范体系中压根没这类计算,没法搞,只能要求节点域不先于梁柱进入塑性。换句话说,抗规那个规定并不合适)。

顺便指出,钢标条文说明表示,当框架梁采用S1、S2、S3级截面时,要求节点域不先于框架梁端屈服(即满足公式17.2.10-1)。而正文中是延性等级I和II级,再看规范17.3.4条,对应的截面等级是S1和S2,不包括S3。这是规范前后没统一好(个人意见,S3截面还是有一点延性和塑性强化,偏于安全用公式17.2.10-1更好,所以条文说明更合理点)。 

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(3)公式中统一表达为梁端全截面塑性弯矩的形式,中柱采用了0.85的系数,是因为考虑了H形截面梁全截面塑性弯矩一般为边缘屈服弯矩的1.15倍左右。

(4)条文说明明确表示,验算公式基于节点满足强柱弱梁要求。当不满足强柱弱梁时,梁端的受弯承载力替换为柱端的受弯承载力即可(梁端和柱端,哪个小按哪个)。

(5)对应地,框架结构节点域的正则化宽厚比构造要求(限值)如下: 

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很明显,这是根据不同延性等级对应节点域的宽厚比要求,不再是抗规、钢规的一刀切做法。

 

四、钢规和抗规的节点域设计有哪些不合理之处?

通过上述条文的解读,对比着看,就会发现钢规和抗规原来的一些规定是不尽合理的。

比如,钢规规定: 

《转自:钢结构设计-公众号标准》解说专题(6)---节点域设计

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前文已经说过,不管节点域宽厚比取抗剪强度为4/3fv是不合适的。公式7.4.2-2按条文说明,明显是抗震要求(这可不是弹性的局部稳定问题,而是弹塑性剪切失稳条件),放在钢规的条文中,显然很不合适。

抗规规定如下,哪儿不合适,您来说说吧。

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