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海外工程十五年之九十八——美标钢结构设计概述(7)

《美国建筑钢结构设计规范》最新版本为 ANSI/AISC 360-16,英文名字为Specification for Structural Steel Buildings。360-10版国内已经有翻译版发行。为使大家更好的理解360-16版本,特别翻译其关键章节,不妥之处,敬请读者提出宝贵意见。本文为第B章的条文说明重点翻译。

3.设计效应

本规范允许使用弹性或非弹性,包括塑性结构分析。通常设计是通过弹性分析来完成的。非弹性和塑性分析的规定见附录1设计效应。所需强度由适当的结构分析方法确定。

在某些情况下,如在不承受设计荷载的稳定支撑构件的配置中(例如,见附录6),本规范中明确规定了设计应应。

通过与其他构件连接或通过支座在一端或两端受到可靠约束的梁,在弹性分析的最大弯矩处,将具有超过屈服点的储备承载力。附加承载力是力矩非弹性再分配的结果。本规范将构件的设计基于提供的抗力矩大于弹性分析的最大力矩所代表的要求。这种方法忽略了与非弹性再分配相关的储备能力。弹性分析的最大力矩减少10%,力矩图反面的力矩增加10%,可以近似地解释这种储备能力。

这种调整仅适用于可能出现非弹性力矩再分配的情况。对于静定跨(例如两端简支的梁或悬臂梁),不可能重新分布;因此在该情况下不允许进行调整。具有固定端或连续梁的构件可以进行重新分布。横截面不能承受与再分配相关的非弹性旋转(例如,由于局部屈曲)的构件也不允许使用这种再分配。因此,本规范中只有紧凑型钢才可重新分配。

非弹性分析将自动进行任何再分配。因此,力矩的再分配仅适用于根据弹性分析计算的力矩。减少10%的规则只适用于梁。非弹性再分配在更复杂的结构中是可能的,但目前只有梁的10%的非弹性再分配量得到验证。对于其他结构,应使用附录1的规定。

4.连接和支座设计

本节规定连接设计应符合第J章和第k章的相关要求。第J章的内容包括,当作用在连接上的荷载效应已知时,一个连接的独方部件的各个组成部分(角钢、焊缝、螺栓等)的设计方法。本节规定,与结构分析有关的建模假定,必须与第J中于连接部件的各个组成部分所使用的条件相符合。

在许多情况下,不必将连接作为结构系统分析的一部分。如结构分析时简单连接和完全约束(FR)连接通常可以分别理想化为销接或固定。分析完成后,可使用在连接计算的变形或力对连接构件行比例调整。FR和简单连接的分类是为了证明这些分析的理想化,例如,如果为了分析的目的假设一个连接是FR,那么实际连接必须满足FR条件。也即具有足够的强度和刚度,如下文中讨论。

在某些情况下,连接的变形会影响结构抵抗荷载的方式,因此结构分析时应考虑连接的影响,这种连接称为部分约束(PR)力矩连接。对于具有PR连接的结构,必须估计连接刚度,并将其包括在结构分析中。分析完成后,,可使用为连接件计算的荷载效应和变形来检查连接是否满足要求。

对于简单连接和FR连接,在结构设计的最终分析完成后,就可以确定连接的各个组成部分,从而大大简化了没计周期。相反PR连接设计(如构件选择)是一个迭代过程,必须要对连接的各个组成部分做出假定,来确定连接的力变形特性以便进行结构分析还必须考虑结构寿命周期的性能特点。可以从结构分析的结果来验证所假定的连接的各个组成部分是否满足要求。如果连接部件不满足要求,那么必须修正。假定值并重复进行结构分析在相关文献中,对部分约束抗弯连接用于各种框架体系的潜在优越性进行了讨论。

连接分类。连接分类的基本假设是,采用弯矩转角(M-θ)曲线来表示连接的最重要性状特征。图C-B3.为一个典型的M-θ曲线。弯矩转角曲线所表示的是一个梁柱节点区及与其相连的构件所组成的连接的性状。由于通常在力学试验中是沿杆件的整个长度(不仅包括相连的构件,而且包括了杆端和!柱子的节点域)来量测杆件的转动,因此用这种力一式来定义连接的响应。

Bjorhovde等人(1990)发表的成果和欧洲规范3CEN2005a)中的连接分类实例。这些分类直接考虑连接件的刚度、强度和延性。

连接刚度。因为连接的非线性行为甚至在低力矩旋转水平下也表现出来,连接的初始刚度Ki(如图C-B3.2所示)不能充分描述服务水平下的连接响应。此外,许多连接类型没有表现出可靠的初始刚度,或者它只存在于非常小的力矩旋转范围内。工作荷载下的割线刚度Ks作为连接刚度的指标。明确地,

    连接刚度。由于连接的非线性特性显不出即使处于很低的弯矩转角水平,连接的初始刚度(如图C-B3-2所示)也没有充分表现出在正常使用水平时的连接响应。此外许多连接类型没有可靠的初始刚度,或者说连接的弯矩转角范围很小。在正常使用荷载作用时的割线刚度Ks,可以作为表征连接刚度特性的指标值。具体来说

式中:

Ms=正常使用时的弯矩,kip-in. (N-mm)

θs = 正常使用时的转角, rad

C-B3.2部分约束抗弯连接的弯矩转角曲线的刚度、承载力和延性

C-B3.3 完全约束(FR)、部分约束(PR)和简单连接的弯矩转角分类

在下面的讨论中,LEI分别为长度和抗弯刚度。如果KsL/EI≥20,为完全约束连接(刚接)(即杆件之间的夹角保持不变)。如果KsL/EI≤2,为简单连接(铰接)考虑(即连接转动时不会产生弯矩)。当连接的刚度介于这两种极限情况之间时,则为部分约束连接(半刚性连接),在设计中必须考虑连接的刚度、强度和延胜( Leon , 1994 )C- B3.2FR , PR和简单连接的弯矩转角曲线示例。θs表示的是本示例连接的正常使用荷载状态,并由此定义该连接的割线刚度。

连接强度。如图C-B3.2所示,连接的强度是其能够承载的最大弯矩,Mn。连接的强度可根据的极限状态模型或力学试验确定。如果力弯矩转角响应未显示峰值荷载,则强度可取为转动0.02 rad时的弯矩(HsiehDeierlein1991Leon等人,1996年)。

可以用曲线来确定连接强度的下限,当强度低于该下限时可视为简单(铰接)连接。当连接所传递的弯矩小于梁转角为0.02rad时的全截面塑性弯矩的20%时,可以在设计中不考虑该连接的抗弯强度。应该认识到,与少数强连接相比,许多弱连接的综合强度可能很重要(FEMA1997)。

在图C-B3.3中, Mn的点表示连接的最大强度。θu表示连接的最大旋转状态。值得注意的是FR连接的强度可能小于或大于梁的强度。    连接承载力必须足以承受设计荷载作用下抗弯承载力要求。

连接延性。如果连接强度大大超过梁的全塑性弯矩强度,则结构体系的延性由梁控制,连接可视为弹性连接。如果连接强度仅略超过梁的全塑性弯矩强度,则在梁达到其全强度之前,连接可能会经历实质性的非弹性变形。如果梁的强度超过连接强度,则变形会集中在连接处。连接件所需的延性取决于具体应用。例如,非地震区支撑框架的延性要求通常小于高地震区的延性要求。抗震设计的转动延性要求取决于结构体系(AISC2016b)。

在图C-B3.2中,转动能力θu可根据转角达到连接强度0.8Mu,或连接变形超过0.03rad时确定。第二条判别主要适用于那些在产生很大转动前不会有强度下降的连接。在设计中依靠如此大的连接转动能力不是一种很谨慎的做法。

设计转动能力θu应与承载能力极限状态下所需的转动进行比较,通过考虑连接非线性行为的分析确定(注意,对于ASD设计,应使用1.6ASD荷载组合下进行的分析来确定承载能力极限状态下所需的转动)在缺乏准确分析的情况下,认为0.03 rad的旋转能力足够。该转动等于特殊抗弯框架抗震规定(AISC2016b)中规定的最小梁柱连接强度。许多类型的PR连接上下翼缘角钢与柱连接,都满足这一标准。

结构分析与设计。当连接件被归类为PR时,结构分析中必须包括连接件的相关响应特性,以确定构件和连接件的内力、位移和框架稳定性。因此采用PR连接,首先要对连接的弯矩转角特性有所了解,其次在结构分析和设计采用这些特性。

许多PR连接的典型弯矩转角曲线可从几个数据库之一获得(Goverdhan1983AngMorris1984年;尼日科特,1985年;KishiChen1986)。在使用表列弯矩转动曲线时,不要推断超出用于开发数据库的尺寸或条件,因为其他破坏模式可能会控制(ASCE1997)。当要建模的连接不在数据库范围内时,可以通过试验、简单组件建模或有限元研究确定响应特性(FEMA1995)。文献中给出了连接行为建模程序的示例(Bjorhovde等人,1988Chen Lui1991Bjorhovde等人,1992年;Lorenz等人,1993年;Chen Toma1994年;Chen等,1995Bjorhovde等人,1996年;Leon等人,1996年;Leon Easterling2002年;Bijlaard等人,2005年;Bjorhovde等人,2008年)。

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作者: ganggouren

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