钢结构典型连接中柔性的影响

DIN EN 1993-1-8 [3]提供了连接刚度的计算和分类模型，并在结构模型中管理半刚性节点的建模。

在实践中抗弯连接通常在内力计算以及结构模型中定义为刚性的。 在内力计算时不考虑节点连接的弯矩旋转特性。 但是在很多情况下是取决于结构的刚度，必须按照规范在结构计算中予以考虑。

下面将通过示例说明连接柔性对框架结构的设计结果的影响。

系统

示例的结构是一个两铰框架，跨度为 15m，高度为 6m，上部是一个小阁楼 0.8m。

对于刚度连接的第一个设计步骤是设置截面，如图 01 所示。 结构钢S235按照DIN EN 1993-1-1 [2]进行设计。

System für den ersten Bemessungsschritt und gewählte Verbindung

荷载工况/结果组合

• 荷载影响宽度（框架举例） = 5m
• 屋顶结构自重 g = 0.40 kN/m²
• 雪荷载 s = 1.30 kN/m²
• 风荷载墙w = 0.60 kN/m²（c_p = 0.8 and -0.5）
• 缺陷（在框架平面）按照规范 DIN EN 1993-1-1

刚性框架节点 ULS 设计

框架平面中的内力计算按照二阶理论进行，并考虑缺陷（倾斜和初弯曲）。 内力M_y的包络线如图02所示。

刚性连接时内力 My 包络线

使用 RF-/STEEL EC3 计算梁时，在杆件端部设置一个铰支座，在上部三分之一处设置侧向支座。

框架节点的设计使用 RF-/JOINTS Steel - DSTV。 应用的类型为 IH 3.1 和 M20。 无法使用现有内力按照[1]进行连接设计。

Bemessung der Verbindung mit RF-/JOINTS Stahl - DSTV

因此必须增加梁截面尺寸，选用 IPE 500，如图 01 选择连接，验算承载力极限状态。

柔性框架节点 ULS 设计

在结构计算中考虑弯矩旋转特性的要求是按照规范 DIN EN 1993-1-8 中对连接的分类进行。

对于可动框架，符合以下条件则分类作为“可变现”：

对于当前设计的连接 IH 3.1 E 50 20 6xM20 10.9 （见图 01）没有加固，柱子为 HE-B 240：

结构刚度按照 EN 1993-1-8 中 5.2.2.5 计算：

因此该连接可归类为可变形：
3,374 kNm/rad <S_ini = 72,270 kNm/rad <168,700 kNm/rad

由于对跨中弯矩的预期的内力重分配，现在可以再次尝试使用原来的截面 IPE 450 进行计算和设计。

现在根据二阶理论并考虑缺陷（倾斜和初弯矩）和连接的弯矩旋转特性，再次计算框架平面内的内力。 按照DIN EN 1993-1-8 Sec。 5.1.2（4），简化为线性旋转弹簧，S_j，ini/2。 内力M_y的包络线如图04所示。

柔性连接时内力 My 包络线

因为考虑了旋转刚度，拐角弯矩减少了 10%。 使用 RF-/JOINTS Steel - DSTV 进行连接设计，使类型 IH 3.1 E 45 20 6xM20 8.8 通过验算。 原来使用的型钢 IPE 450 也可以通过验算，足够耐用（见图 05）。

设计梁和连接

柔性框架节点 SLS 设计

此处仅计算框架水平变形。 极限值定义为w_h，max = h/150 = 680/150 = 4.53 cm。

由于SLS的荷载水平较小，可以假设弯矩小于2/3 M_j，Ed ，因此可以将连接的弹性初始刚度应用于变形分析。 这可以通过修改在计算参数中的相关的荷载组合的刚度来实现（见图 06）。

计算参数 - 荷载组合时编辑修改刚度

使用 S_j,ini可得出在 X 方向上的变形是 4,73 cm（见图 07）。

在 x 方向变形的包络图

计算如下：
w_ex/W_h，max = 4.73/4.53 = 1.04

概述总结

在计算时考虑弯矩旋转特性使得更加真实的反应了结构构造，得出更加经济的设计，在该示例中节省了大约 10% 的材料。

此外，在经济意义上对于正常使用极限状态的设计，在对相关的荷载组合使用弹性初始刚度计算变形。