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。
荷载工况/结果组合
按照下面简化的荷载假设进行计算:- 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(cp = 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My的包络线如图02所示。
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。
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 <Sini = 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,Sj,ini/2。 内力My的包络线如图04所示。
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)。
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wh,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 Mj,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)。
使用 Sj,ini可得出在 X 方向上的变形是 4,73 cm(见图 07)。
计算如下:
wex/Wh,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。