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《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》解說專題(6)——節(jié)點(diǎn)域設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)域是鋼框架梁柱連接節(jié)點(diǎn)區(qū)域的一個特定部位,在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010,簡稱“”抗規(guī)”)和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017-2003,簡稱“鋼規(guī)”)中都有一些相關(guān)計(jì)算和構(gòu)造的規(guī)定。然而在設(shè)計(jì)時,經(jīng)常有一些疑問存在。

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017,簡稱“鋼標(biāo)”)中涉及節(jié)點(diǎn)域的內(nèi)容進(jìn)行了全新的梳理和改動,動作很大,有必要專門來談?wù)?,以便說清楚節(jié)點(diǎn)域相關(guān)規(guī)定的來龍去脈。

一、節(jié)點(diǎn)域的受力特征

節(jié)點(diǎn)域,其實(shí)就是梁柱交接處一塊基本只承受純剪的板,如下圖,兩側(cè)梁端的彎矩,在節(jié)點(diǎn)域通過純剪切受力進(jìn)行內(nèi)力的傳遞(如果忽略梁柱的軸力、剪力)。這一受力特征決定了,節(jié)點(diǎn)域剪應(yīng)力可用梁端彎矩的和除以節(jié)點(diǎn)域體積得到(鋼標(biāo)公式12.3.3-3)。 

二、鋼標(biāo)的節(jié)點(diǎn)域承載力計(jì)算

先看規(guī)范條文。很明顯,除了節(jié)點(diǎn)域體積增加了箱型截面柱和圓管柱的計(jì)算公式外,引入了一個節(jié)點(diǎn)域抗剪強(qiáng)度。計(jì)算方式和以前一樣。 

節(jié)點(diǎn)域抗剪強(qiáng)度和受剪正則化寬厚比相關(guān),計(jì)算如下: 

解釋一下:

(1)以往的鋼規(guī)中,都是默認(rèn)了節(jié)點(diǎn)域不發(fā)生彈性屈曲的,所以節(jié)點(diǎn)域強(qiáng)度均采用了抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的4/3倍。

抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值提高為4/3倍,由來已久,是參考了日本鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范的公式,以考慮略去柱剪力(一般的框架結(jié)構(gòu)中,略去柱端剪力項(xiàng),會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)域彎矩增加約1.1~1.2倍)、節(jié)點(diǎn)域彈性變形占結(jié)構(gòu)整體的份額小、節(jié)點(diǎn)域屈服后的承載力有所提高等有利因素。由于這個4/3已經(jīng)深入人心,鋼標(biāo)沒改,可以看到在第3款的1)中體現(xiàn)了。另外注意,門規(guī)是個例外,自己意識到板件一般很薄,沒采用4/3,只是采用了1.0,未考慮節(jié)點(diǎn)域抗剪強(qiáng)度提高(可就是沒意識到,薄到一定程度,可能彈性屈曲,連fv也可能達(dá)不到呢?)

(2)鋼標(biāo)新引入了節(jié)點(diǎn)域受剪正則化寬厚比。按照板殼穩(wěn)定理論,節(jié)點(diǎn)域受剪可能發(fā)生彈性屈曲,因此抗剪承載力與其寬厚比緊密相關(guān),而以往規(guī)范中不區(qū)分節(jié)點(diǎn)域板寬厚比統(tǒng)一取抗剪強(qiáng)度的做法是不對的。即,正則化寬厚比0.6以下,抗剪強(qiáng)度fps取4/3fv(參考了日本相關(guān)規(guī)范的試驗(yàn)研究情況,抗剪強(qiáng)度取4/3fv的正則化寬厚比上限為0.52)。另外考慮正則化寬厚比0.8為塑性和彈塑性屈曲的拐點(diǎn),抗剪強(qiáng)度不再適合取4/3fv,只能取fv。因此,正則化寬厚比在0.6到0.8之間作為過渡段,抗剪強(qiáng)度也在4/3fv和fv之間插值處理。這也就是12.3.3的第3款抗剪強(qiáng)度取值的由來。

(3)門式剛架輕型房屋等采用薄柔截面的單層和低層結(jié)構(gòu),考慮到節(jié)點(diǎn)域腹板不宜過薄,正則化寬厚比上限取為1.2。

另外,條文說明表示,承載力驗(yàn)算式的適用范圍為正則化寬厚比0.8~1.4,應(yīng)是前后沒統(tǒng)一的問題,顯然正文中上限已經(jīng)改為了1.2(如果你足夠細(xì)心,就會發(fā)現(xiàn)這個上限1.4出現(xiàn)在了征求意見稿中,如下)。 

(4)再看一下公式12.3.3-1和-2,是不是似曾相識?是的,上一個專題中梁腹板的受剪局部屈曲用到過??蚣芰毫憾烁拱搴凸?jié)點(diǎn)域的正則化寬厚比計(jì)算公式是一樣的。另外腹板受剪屈曲應(yīng)力的計(jì)算方式形式也一樣,只是公式參數(shù)略有不同。從本質(zhì)而言,都是受剪板的彈性屈曲承載力問題。 

三、鋼標(biāo)節(jié)點(diǎn)域的抗震設(shè)計(jì)

計(jì)算公式如下: 

(1)上述公式計(jì)算區(qū)分了結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性等級,按照不同的延性等級分別進(jìn)行計(jì)算。延性等級為I和II級,表示結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按延性耗能的思路進(jìn)行,梁端會進(jìn)入塑性并且強(qiáng)化,因此公式左側(cè)的彎矩采用了梁端的全塑性受彎承載力。同時節(jié)點(diǎn)域不會太薄柔(參見后面的節(jié)點(diǎn)域構(gòu)造要求),抗剪強(qiáng)度取4/3fv;延性等級為III級以上,則梁端不進(jìn)入塑性或進(jìn)入塑性有限,因此公式左側(cè)采用了設(shè)防地震性能組合下的彎矩,抗剪強(qiáng)度則采用了fps,按實(shí)際寬厚比計(jì)算。

(2)上述公式17.2.10-1的思路與抗規(guī)中節(jié)點(diǎn)域與梁端同步進(jìn)入塑性節(jié)點(diǎn)域略弱的思路有所差異,系參考日本的相關(guān)規(guī)定,要求節(jié)點(diǎn)域不先于梁柱進(jìn)入塑性(日本規(guī)定中,如果節(jié)點(diǎn)域先于梁柱屈服,則在框架二次設(shè)計(jì)的水平受剪承載力驗(yàn)算時必須考慮節(jié)點(diǎn)域屈服帶來的影響,而我們的規(guī)范體系中壓根沒這類計(jì)算,沒法搞,只能要求節(jié)點(diǎn)域不先于梁柱進(jìn)入塑性。換句話說,抗規(guī)那個規(guī)定并不合適)。

順便指出,鋼標(biāo)條文說明表示,當(dāng)框架梁采用S1、S2、S3級截面時,要求節(jié)點(diǎn)域不先于框架梁端屈服(即滿足公式17.2.10-1)。而正文中是延性等級I和II級,再看規(guī)范17.3.4條,對應(yīng)的截面等級是S1和S2,不包括S3。這是規(guī)范前后沒統(tǒng)一好(個人意見,S3截面還是有一點(diǎn)延性和塑性強(qiáng)化,偏于安全用公式17.2.10-1更好,所以條文說明更合理點(diǎn))。 

(3)公式中統(tǒng)一表達(dá)為梁端全截面塑性彎矩的形式,中柱采用了0.85的系數(shù),是因?yàn)榭紤]了H形截面梁全截面塑性彎矩一般為邊緣屈服彎矩的1.15倍左右。

(4)條文說明明確表示,驗(yàn)算公式基于節(jié)點(diǎn)滿足強(qiáng)柱弱梁要求。當(dāng)不滿足強(qiáng)柱弱梁時,梁端的受彎承載力替換為柱端的受彎承載力即可(梁端和柱端,哪個小按哪個)。

(5)對應(yīng)地,框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)域的正則化寬厚比構(gòu)造要求(限值)如下: 

很明顯,這是根據(jù)不同延性等級對應(yīng)節(jié)點(diǎn)域的寬厚比要求,不再是抗規(guī)、鋼規(guī)的一刀切做法。

四、鋼規(guī)和抗規(guī)的節(jié)點(diǎn)域設(shè)計(jì)有哪些不合理之處?

通過上述條文的解讀,對比著看,就會發(fā)現(xiàn)鋼規(guī)和抗規(guī)原來的一些規(guī)定是不盡合理的。

比如,鋼規(guī)規(guī)定: 

前文已經(jīng)說過,不管節(jié)點(diǎn)域?qū)捄癖热】辜魪?qiáng)度為4/3fv是不合適的。公式7.4.2-2按條文說明,明顯是抗震要求(這可不是彈性的局部穩(wěn)定問題,而是彈塑性剪切失穩(wěn)條件),放在鋼規(guī)的條文中,顯然很不合適。

抗規(guī)規(guī)定如下,哪兒不合適,您來說說吧。

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