钢结构是由钢构件通过节点连接形成的受力体系, 如何使钢结构合理地受力传力, 节点连接的设计尤为关键。传统的钢结构节点分为刚性节点、柔性 (铰接) 节点。刚性节点即结构受力变形过程中梁柱夹角保持不变 (或变形轻微, 对整个结构影响较小) , 刚性节点能够有效地传递弯矩。柔性 (铰接) 节点即结构受力过程中可以自由转动, 不传递弯矩的节点。在钢结构的传统设计中, 都将钢结构的节点处理成理想的刚接或是铰接, 但刚性节点的刚度其实是有限的, 而柔性节点也是有一定的刚度的^[1], 所以出现了半刚性节点的概念, 即结构在受力过程中, 既可以部分地传递弯矩, 一定程度上又允许梁柱夹角变化的节点。目前对于半刚性节点的研究很多, 也有很多相应的研究成果, 比如半刚性节点有很好的滞回性能, 对于抗震比较有利, 这点在文献[2-5]都有研究, 并得出类似结论。

　　 既然刚性节点的刚度也有限, 所以只要满足一定刚度要求, 就可以将刚架节点假定成刚性节点。这个要求在欧盟钢结构设计规范EC3^[6]中有明确规定, 我国目前2012年版的《门式刚架轻型钢结构技术规程》 (CECS102:2002) ^[7] (简称新门式刚架规程) 也引用了这一刚度要求。在老门式刚架规程^[8]中, 虽然对刚架节点形式有相关要求, 但对刚架节点的刚度并没有严格规定, 相关构造措施也并不完整, 导致许多现存的门式刚架梁柱节点达不到刚接节点要求。如果节点刚度达不到刚接要求, 而若在计算中将其假定为刚接, 会导致门式刚架可靠性不足, 甚至酿成事故^[9]。笔者认为, 半刚性节点对多层钢框架结构较为有利, 而不适合轻型门式刚架结构, 因为在多层钢框架结构中, 荷载较大, 半刚性节点可以调节梁柱间弯矩, 并且半刚性节点又较刚性节点具有较好的转动性, 因此具有较好的耗能效果, 可以增加结构阻尼、延长周期、减少振幅、降低震害^[10]。而轻型门式刚架结构因荷载较小, 地震效应不起控制作用, 因此没必要将门式刚架梁柱节点设计成半刚性节点以达到抗震的效果。

　　 笔者从事钢结构检测鉴定工作多年, 遇到过很多类似情况。文中将探讨影响节点刚度的因素, 并结合典型的工程实例, 对这一问题进行阐释, 并通过计算提出解决办法。

　　 门式刚架梁柱节点目前主要有以下几种形式:端板竖放 (图1 (a) ) 、端板平放 (图1 (b) ) 、端板斜放 (图1 (c) ) 。这几种端板形式也是新老门式刚架规程中推荐的、目前应用最多的形式。

　　 刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力。梁柱节点在弯矩M作用下, 梁端及柱顶会产生转动, 梁端产生转动角度θ_b, 柱顶产生转动角度θ_c, 二者之差θ=θ_b-θ_c即为节点的相对转角, 而梁柱节点的转动刚度R=M/θ, 所以θ越小, 节点的刚度越大 (图2) 。梁与柱相对转角θ包括节点域的剪切变形角和节点连接的变形角, 其中节点连接的变形角包括端板的弯曲、螺栓拉伸变形和柱翼板弯曲所产生的变形。节点域的剪切变形和节点连接的变形相对应的转动刚度分别为R₁和R₂。

　　 根据欧盟钢结构设计规范EC3及现行门式刚架规程的规定, 节点的转动刚度应按下式计算:

　　 结合图1参数, 节点域的剪切变形和节点连接的变形相对应的转动刚度R₁和R₂分别按下式计算:

　　 当设置斜向加劲肋时, 节点域的剪切变形转动刚度R₁可显著提高, 结合图1参数, 此时R₁的计算公式如下:

　　 式中:h₁为梁端翼板中心距离;h_0c为柱节点域腹板宽度;h_0b为梁端腹板高度;t_p为柱节点域腹板厚度;I_e为端板惯性矩;E为钢材弹性模量;e_f为外伸螺栓中心至加劲肋外边缘距离;A_st为斜向加劲肋总截面面积;α为节点域斜向加劲肋倾角。

　　 综上所述, 影响节点转动刚度的主要因素有梁端截面高度、柱节点域腹板宽度及厚度, 端板惯性矩 (与端板的厚度、宽度有关) 、外伸螺栓中心至加劲肋外边缘距离, 斜向加劲肋截面面积及倾角。

　　 由于现实情况下, 完全刚性节点是无法实现的, 所以根据欧盟钢结构设计规范EC3及新门式刚架规程的规定, 只要节点的转动刚度符合一定的条件, 可以近似地视为刚性节点。满足这个条件, 刚架的承载力较完全刚接的承载力下降5%以内。这个条件的公式如下:

　　 式中:I_b为刚架横梁跨间的平均截面惯性矩;l_b为钢梁跨度。

　　 该公式的提出对门式刚架设计具有重要意义, 使得设计者有章可循, 可以避免出现刚架节点刚性不足的问题。下文通过工程实例对梁柱节点刚性不足的问题进行探讨, 并通过计算提出相应的解决方案。

　　 枣庄市某药厂生产车间为单层双跨双坡门式刚架结构, 中间柱为摇摆柱, 边柱为铰接柱脚。该工程柱高6m, 跨度实测17m, 柱距6m, 屋面坡度0.1。屋面钢梁梁端变截面规格H (350~530) ×175×6×9, 两端变截面长度各3m, 中段等截面梁采用国标型钢HN346×174, 钢柱采用国标型钢HN350×175, 主刚架钢构件均采用Q235B级钢。边跨梁柱节点采用2×4M20, 10.9级高强螺栓连接, 端板厚度22mm, 端板上部外伸部分因与排水槽冲突, 在施工时全部予以割除, 从而出现节点形式见图3, 4。如此便形成图5所示的结构体系, 该体系显然是一种近似几何可变体系, 存在很大的安全隐患。

　　 经复核验算分析, 该工程若按照梁柱节点刚接进行计算, 钢梁构件富余量较大, 可以考虑牺牲一部分钢梁截面, 将梁柱节点改造成刚性节点, 并通过验算分析其可能性, 做法见图6, 即在加设可靠支撑并充分卸除刚架荷载后, 在变截面梁上重新焊接翼板, 使新加翼板与原有钢梁形成一个新的整体, 此时新钢梁截面减小为H440×175×6×9, 同时在节点域加设斜向加劲肋, 厚度10mm。

　　 经过改造后的梁柱节点可认为是三边支承类端板, 对改造后的节点进行验算分析。

　　 端板改造后, h_0b=451mm, h_oc=339mm, h₁=430mm, 柱节点域腹板厚7mm, 斜向加劲肋截面面积A_st=168×10=1 680mm², 倾角α=37°。

　　 由式 (4) 算得:R₁=79 000×430×339×7×10^-6+206 000×451×1 680×cos²37°×sin37°×10^-6=140 522.8k N·m/rad;端板惯性矩I_e=175×22³/12=15.5×10⁴mm⁴;由式 (3) 算得:R₂=6×206 000×15.5×10⁴×460²×10^-6/ (1.1×45³) =404 422.8k N·m/rad;节点的转动刚度为:R=R₁R₂/ (R₁+R₂) =140 522.8×404 422.8/ (140 522.8+404 422.8) =104 287k N·m;梁的惯性矩I_e=20 337×10⁴mm⁴;25EI_b/l_b=25×206 000×20 337×10⁴×10^-6/17 000=61 609 k N·m。

　　 通过以上计算可以得出R>25EI_b/l_b, 所以, 改造后的节点满足刚性节点的要求。

　　 根据文献[7]给出的相关公式, 对于三边支承类端板, 有:

　　 综上所述, 节点的刚性对刚架结构具有关键性的作用, 所以新门式刚架规程引用了欧洲规范EC3的相关条文对节点刚性做出了明确规定。本文通过工程实例对节点进行改造, 使节点刚性满足了现行规范对刚性节点的要求, 并对改造后的节点承载力进行复核验算, 结果表明, 改造后的节点承载力满足要求, 说明本文对节点的改造方法是成功的, 对现存的门式刚架类似节点的改造具有指导意义。