钢框架用的降低应力的节点的制作方法

专利名称：钢框架用的降低应力的节点的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及承受荷载和弯矩的框架节点，更确切地说，本发明涉及横梁和/或立柱之间的节点，它特别适合在新建和现有结构的改建时用于建筑物的钢框架中，但却并不只限于这种应用。
背景技术：
在现代结构物，如房屋和桥梁的建造中，可利用已知的工程原理和实践将抗弯框架钢梁和立柱设置好，并固定在一起，以形成该结构的基本骨架。对横梁也称为桁和/或立柱的结构认真加以设计，以保证梁柱框架能承受对于桥梁，房屋或其它结构物的原定使用所预期经受的应力，应变和荷载。对于荷载进行适当的工程评估为现行的设计方法的应用，它综合了在考虑地震事件的荷载和测定结构物中由这些荷载所引起的应力和应变时的复杂性，综合了各个地震发生区域的情况。众所周知，在地震期间，施加在建筑物上的动态水平和垂直的惯性荷载和应力会对构成抵抗地震损害的框架的梁-柱节点造成最大的冲击。在由大地震造成的高荷载和高应力的条件下或较轻微地震的反复作用下，这种梁-柱之间的节点可能断裂，从而可能导致结构物的坍塌和生命的丧失。
本发明中使用的横梁或桁和立柱是普通的工字梁，具有W形截面或较宽的翼缘截面。它们常常都是一件等截面的异型钢材。每根横梁和/或立柱都包括两个平行设置的细长的矩形翼缘，和在这两个翼缘相对表面间并沿这异型材的纵向设置在中心的腹板。该立柱常常是沿纵向或垂直方向排列在框架中。梁，当其沿横向或水平方向排列在框架中时，也叫桁。当荷载施加在这两翼缘之一的外表面并指向该腹板时，该梁和/或立柱则是最坚固的。当梁用作横梁时，该腹板应垂直地伸展在上下翼缘之间，以便使上翼缘表面能紧贴并直接支承楼板，或者其上方的屋顶。横梁的端部的翼缘可焊接和/或用螺栓紧固在立柱翼缘的外表面上。该钢框架是一层一层架设的。每个钢结构单元包括一根横梁和一根立柱，其最好都是在工厂按照预定的尺寸，形状和强度规格预先制作。然后通常是将每根钢梁和立柱作上标记，以便安装在建筑框架的结构中。当用于一层的钢梁和立柱到位时，将它们支承好，核对是否对齐，然后就用普通的铆，焊和螺栓紧固方式固定在节点处。
虽然这些节点适合承受正常的工作荷载和应力，但它们却常常能抵抗不住在地震期间所经历的较大荷载和应力。即使这些节点在地震后幸存下来，即没损坏，但钢框架中的这些连接的物理特性的变化却可能是足够严重的，因而在该建筑物继续使用之前必需进行结构方面的维修。
发明概述本发明的总的目的是提供新的、经改进的横梁和立柱的节点。这种改进的节点减小了在梁和柱的连接中由静、动荷载两者所引起的应力和/或应变。本发明的改进的节点延长了新建筑物的钢框架的有效寿命，当在对现有建筑物进行维修所作的改造中采用这种改进的节点时也可延长现有建筑中钢框架的使用寿命。
本发明的另目的是按照下述方式提供一种改进的梁和柱的节点，该方式基本使遍布节点处的静会载和动荷载和应力均衡分布，以便将沿该节点的较高应力集中减小到最低限度。
本发明的还一目的是要减小施加在钢框架结构中横梁和立柱翼缘节点之间的动荷载应力。
本发明的再一目的是要通过在柱腹板和/或梁腹板上，在靠近梁的翼缘与柱的翼缘结合处，形成至少一个，最好是几个槽口来减小横过柱和梁之间的节点处的动荷载应力的变化。
本发明的又一目的是要减小在动荷载期间施加在钢框架结构的梁和柱翼缘之间的应变速度。
本发明的还一目的是要提供一种手段，通过它钢框架结构中的梁的塑性铰合点可以沿着该梁离开梁与柱的节点处，只要设计工程师希望这样特点，就可做到。
本发明的最后一个目的是要减小在静荷载和动荷载期间横过钢框架的柱和梁的节点的应力和应变。
本发明是根据下述发现得出的，当将钢框架结构中梁的上、下翼缘全熔透焊接于立柱巽缘上时，由于横过该焊缝产生的静、动或冲击荷载引起的非线性应力和应变分布，可在该立柱翼缘垂直中心线上扩大该荷载的应力和应变的影响。在作为与本发明相关的部分研究进行之前还没有人进行过典型宽翼缘的梁柱节点的详细分析研究，这种研究可决定梁/柱界面上的应力分布。上述节点处的应变发生速度的情况，施加荷载的上升时间，应力集中因子，应力梯度，残余应力以及几何细节都对这些节点的性能和强度产生影响。利用高精确度的有限元模型和对测试样品设计的全尺寸实验的分析，已在测量的应力和应变分布的分析和测试结果之间建立起极好的关联，这种应力和应变分布是指发生断裂的梁/柱的界面上的分布。将应变计安置在立柱面上的横梁翼缘上是通过制备适当的焊接表面来实现的。动荷载试验可进一步验证在分析上确定的引起高应变梯度和应力集中的因子。已发现，这些应力集中因子比无连续性板(continuity plate)的典型的W27×94(W690×140)梁和W14×176(W360×162)柱之间的节点的标称的设计假定值高4-5倍。当加入普通的连续性板时，应力集中就减小到标称应力值的3-4倍之间。将在该连接中采用本发明的特征，便减小了因传统的设计理论而存在的明显不均匀的应力，这已做了分析和测试。本发明改变了节点的刚性和硬度，并将在翼缘焊接处的最外纤维中心的应力集中因子减小到大约为1.2。若用不同的方式来说明梁的上、下翼缘在立柱翼缘上普通节点的应力状态，则该梁的两翼缘就显示出非线性的应力和应变分布。作为本发明的一部分，已经发现，在原则上这是由于下面的事实所引起的，沿着立柱翼缘的垂直中心线延伸的立柱腹板，主要是在正对立柱腹板的翼缘中心处给梁翼缘提供额外的刚性。结果是，在梁/柱节点处靠近翼缘中心区的刚性可能显著大于该立柱翼缘的外边缘处的横梁翼缘的刚性。这个刚度的变化是离立柱腹板的距离的函数。换言之，在边缘处立柱翼缘发生屈服，弯曲或挠曲，而在横梁翼缘与立柱翼缘在腹板处相连接的中心线上却保持有较大的刚性，这样就使得横梁的上、下翼缘的中心部分都能承受最大水平的应力和应变。可以相信，由于横过梁/柱节点处的应力和应变水平是非线性的，这种非线性特性的效果可能导致节点的断裂，从中心点开始使节点完全损坏。此外，可以相信，上述应力状态的影响会促使梁/柱或焊接材料的脆性断裂。
为了实现这些目的，本发明的一个方面包括利用设置在横梁的上、下翼缘与立柱翼缘相连接的区域内，立柱腹板的相对两侧，靠近外边缘的立柱翼缘的内表面之间的垂直取向的加强板或板。该承载或垂直嵌板独自在这节点处沿横梁翼缘产生附加刚性。这附加的刚性的作用是使得在荷载作用下在横过梁的上、下翼缘与立柱翼缘的节点外有更均匀的应力和应变分布。上述垂直板的刚性可用加入一对水平板来增大，在立柱腹板的每一侧放置一个，而且各自连接在相应的垂直板的水平中心线和立柱腹板之间。由于水平板的加入，横过横梁翼缘的应力和应变分布更加均匀；但是，立柱沿其腹板的刚性，即使垂直板安置到位，在荷载作用下也仍会导致横梁翼缘中心处的应力和应变高于横梁翼缘外边缘的应力和应变。
此外，作为本发明的另一方面，已发现，在靠近各横梁翼缘与立柱翼缘连接的区域内，在立柱的腹板上开槽口，该槽最好基本沿垂向，而且这个槽口最好是完全穿过腹板，这个槽口可减小在横梁翼缘与立柱结合处附近的区域内的立柱腹板的刚性。该立柱槽口最好包括，由穿过立柱的垂直槽口联通的两个端孔或终点孔，该槽口与这两个孔在最靠近与横梁连接的立柱翼缘的孔边以相方式连接。穿过立柱腹板的这个槽口可减小立柱翼缘中心部分的刚性，因而可减小施加于横梁与立柱翼缘节点处中心的应力大小。
作为本发明的再一方面，已发现，最好是在靠近横梁的两翼缘与立柱翼缘连接的区域内的横梁腹板上开一些槽口，这样就可进一步减小在横梁翼缘与立柱结合的区域内的立柱腹板的刚性。这些横梁槽口最好是从横梁在节点处的那一端延伸到横梁腹板上的一个端孔或终点孔。这些横梁槽口一般可水平方向延伸。最好一个槽口靠近和平行于上部的横梁翼缘而位于该翼缘的下面，而第二横梁槽口则沿着水平方向，靠近和平行下部的横梁翼缘而位于在该翼缘的上面。这些横梁槽口位于翼缘腹板的倒角区的外侧和该横梁腹板之中。
按照传统作法，还需要这样形成，或改造钢框架结构物，使得横梁的塑性铰链点比普通的梁-翼缘连接结构中的铰链点更加离开该梁与立柱的节点处。按照这个作法，还发现，最好利用上下双重的横梁槽口来实现这种效果。第一上、下横梁槽口如上所述。对于各个第一横梁槽口来说，第二横梁槽口中的每个一般也是沿水平方向的，而且穿过横梁腹板。各第二横梁槽口也沿与它相应的第一横梁槽口相同的中心线设置，该第一横梁槽口终止于横梁与立柱的节点处。最好每个第二横梁槽口长度都大约是它邻近的第一横梁槽口长度的两倍，而且与它邻近的第一槽口分开一段距离，这个分开的距离近似等于第一横梁槽口的长度。这些槽口在形状上，在方向上都可改变，这取决于对特定节点结构的分析结果。
作为本发明的再一方面，还发现本发明的立柱槽口和/或横梁槽口可引入如下这种钢框架结构中，这些钢框架结构不仅包含有上述的垂直取向的加强板，而且还包含有普通的连续性板，或立柱腹板加强件，这在本领域内是众所周知的。当与普通的连续性板，或立柱-腹板加强件结合使用时，可将一般的垂直立柱槽口设置在立柱的腹板，这样，第一槽口就从位于邻近的，共面的连续性板上方并靠近该连续的第一端孔垂直地伸出，也就是，提供了到上部的横梁翼缘的连续性，而且这第一槽口终止于立柱腹板上的第二端孔。第二立柱槽口从邻近并共面的连续性板垂直向下延伸，也就是提供与下部的横梁翼缘的连续性。就本发明的这个方面来看，水平延伸的横梁槽口，不论是本发明的单翼横梁槽口，还是双横梁槽口，也都可用于使用普通的连续性板的钢架结构中。
作为本发明的再一方面，还发现，结合本发明的水平的横梁槽口，可将普通的剪切板延长，以便容纳多达三排紧固螺栓，这些螺栓间是按一般间距分开的。上和/或下水平的横梁槽口和普通的和./或加长的剪切板的组合可连同由顶朝下(top down)的焊接方法，由底朝上(bottom up)的焊接方法或俯焊(down hand)方法一起使用。
本发明的垂直板具有或不具有本发明的槽口，或，槽口具有或不具有垂直板，都能用于横梁与立柱的节点，而且这种节点一般能使横梁翼缘中所经受的应力和应变在横过钢框架结构的节点处的分布比在普通的横梁与立柱的节点处经受的应力和应变更加均匀，减小应力和应变的最大值。
对于本领域的普通技术人员来说，在细阅了下面的详细描述和附图之后容易得出本发明的上述目的和优点

图1是本发明的第一优选实施例的透视图；图2是图1所示的承受动荷载的节点的分解图；图3是图1的承受动荷载的节点的顶视图；图4是图1所示本发明的承受动荷载的节点的侧视图；图5是在普通节点中由动荷载引起的应力和应变速度曲线；图6是在图1的连接中由动荷载引起的应力和应变速度曲线；图7是图5所示的图形的三维表述；图8是图6所示的图形的三维表述；图9是本发明的另一优选实施例的侧视图，它包括立柱和横梁的节点，普通的连续性板，和本发明的两垂直立柱槽口与上、下的横梁槽口；图10是图9所示实施例的顶视图；图11是图9所示的实施例的上部水平的横梁槽口的详细透视图；图12是图9所示的实施例的立柱槽口的详细视图；
图13是又一实施例的侧视图，它包括两个横梁与一个立柱的节点，与这两根横梁中的每一个相邻的上、下垂直立柱槽口，以及这两个横梁的每一个的上、下的水平延伸的横梁槽口；图14是本发明的再一实施例的侧视图，它包括立柱与横梁的节点，它具有上、下的双重横梁槽口，以及上、下垂直立柱槽口；图15是本发明的还一实施例的侧视图，它包括横梁与立柱的节点，它具有加大的剪切板和立柱及横梁槽口；图16是根据有限元分析得出的在地震期间所产生的典型荷载作用下，普通的横梁与立柱的节点的立柱和横梁的翼缘边缘的位移图示；图17是图16所示的节点的侧向透视图；图18是在采用普通的连续性板和本发明的水平横梁槽口的连接时，在地震期间产生的典型荷载的作用下，在横梁与立柱的节点翼缘边缘的位移图示；图19是在其立柱具有普通的连续性板，并结合了本发明的横梁和立柱槽口的连接中，在地震期间产生的典型荷载的作用下，在横梁与立柱的节点翼缘边缘的位移图示；图20是表示把横梁放置在地震期间所产生的典型荷载下，横梁中的压曲情形的图，它是根据对具有本发明的双重横梁槽口的横梁进行的有限元分析得到的；图21是在模拟地震荷载作用下，在包含本发明的立柱和横梁槽口的横梁与立柱的节点的滞后回线，该模拟荷载与地震产生的荷载相同；图22是传统的抗弯矩钢框架的透视图；图23是普通的横梁与立柱的节点的、放大后的详细透视图；图24是示出了应变测量装置位置的横梁与立柱的节点的侧视图；图25是表示在顶部和底部的横梁翼缘处的连接部中的应力情形的图；图26是表示在顶部的横梁翼缘的上表面中的应力情形的图；图27是本发明的另一优选实施例的侧视图，它包含立柱与横梁的节点，一些垂直翼片和横梁腹板与立柱翼缘表面的焊接点；图28是图27所示的实施例的顶视图；图29是本发明的又一优选实施例的侧视图，它包含有立柱与横梁的节点，其中的水平翼片设置在立柱翼缘同横梁腹板和/或加强板之间的界面上；图30是本发明的再一优选实施例的顶视图，它表示箱型立柱与横梁的节点；图31是本发明的还一优选实施例的侧视图，它表示斜槽；图32是用于说明本发明的剪切板的厚度设计的ATC-24力矩特性曲线的示意图；图33是用于说明本发明的剪切板的长度设计的ATC-24力矩特性曲线的示意图。
本发明最佳实施方式参照附图，特别是附图1-4，9-15，22-23，在建筑物的结构中一般用于抗震结构支承的钢骨框架常常包括坚固的或能承受力矩的，由在节点处连接起来的立柱和横梁构成的钢结构。这些横梁与立柱连接可以通过任何普通方法如螺栓紧固，电弧焊接或前者和后者的组合来实现。
参照图22和23，一根普通的W14×176(W360×162)的立柱282和一根W27×94(W690×140)的横梁284按一般方式采用剪切板286和螺栓288连接起来，并在翼缘处加以焊接。该立柱282包括螺栓剪切板286，它是沿立柱翼缘290的纵向面在长边缘上焊接的。使该剪切板282贴靠在位于上下翼缘296和298之间的横梁腹板292的相对的两个面上。该剪切板286和腹板292包含有多个预先钻好的孔。穿过这些预先钻的孔的螺栓288就将横梁腹板固定在该剪切板之间。一旦横梁腹板由螺栓固定，就可将横梁翼缘296和298的端部焊接到立柱翼缘290的面上。经常地需要两块水平加强板，或连续性板300，并将它们焊接在立柱腹板304和立柱翼缘290和305上。已发现，在地震的冲击荷载作用下，横梁和立柱的焊连区域306经受的应力集中约为标称应力的4.5-5.0倍。此外，还发现，当经受地震或冲击荷载时会出现非均匀应变和应变速率，这主要与普通节点部的几何形状有关。
本发明的立柱承载板，支承板和槽口的特征为了确保在静荷载，冲击或动荷载条件下，如地震期间，能保持节点的结构支承力，在第一优选实施例中，提供了一对承载板16和18，它们沿纵向设置在立柱10的腹板20的相对侧面上，并且位于立柱翼缘26和28的内表面22和24之间，而且在横梁12的翼缘29和30与立柱翼缘28接触的区域内用局部熔透焊接方式将这对承载板焊接在立柱翼缘上。相应的水平支承板32和34则分别沿垂直承载板16和18的纵向中心线设置，并分别与垂直承载板16和18以及腹板20相连，以便增加结构支承力。该支承板的表面36和38的形状最好是梯形。支承板36具有沿承载板16的纵向中心线延伸的底边40和焊接在腹板20上的较窄的顶边。该垂直承载板16和18最好是沿平行于腹板20，但又距腹板20一段距离的平面设置，这段距离应小于腹板到立柱翼缘的相应边缘40和42的距离。优选距离应使得该立柱翼缘的刚性在横梁翼缘29和30与立柱10相连的区域内的整个宽度范围消散。水平与垂直的支承板最好都是用与和它们相连的立柱相同的材料制造。
实验已经表明，承载板16和18的作用是通过增加刚性的方式有助于使横过在连接部的横梁翼缘29和30的应力和应变速度保持均匀，并减小横过横梁翼缘29和30测量的应力大小，但它们对于在横梁翼缘中心区域所经受的应力大小的减小却并不显著。承载或立柱翼缘加强板16和18只是通过在连接部形成近乎均匀的应力的方式充分地起到帮助减少在节点的断裂的作用；但还希望减小在横梁翼缘29和30中心测得的应力大小，而且该应力可通过槽口44来进一步减小。纵切的立柱的腹板槽口44的长度在横梁高度的5％-25％范围内是有益的，该槽口开在立柱腹板20内立柱倒角47的边缘45或其附近，位于横梁翼缘29和30连接区域的中心，并紧贴连接部。该槽口44用于减小立柱腹板20的刚性，并能使立柱翼缘28的中心稍稍弯曲，因而减小横梁翼缘中心的应力大小。具有或不具有腹板槽口44的垂直承载板16和18都具有使测量的横过横梁节点14的应力值保持均匀的作用。尽可能使沿横梁翼缘29和30的应力和应变集中保持均匀，则可使在连接部横梁12内的应力变化减至最小。此外，具有这样的结构的节点14可使横过焊接处的应力大小分布均匀，以保证在静荷载，冲击或动荷载条件下，连节点14沿横向支承在整个立柱翼缘28上。如图8所示，当承载板16和18及槽口44设置于靠近连接部14的立柱10上的结构中时，横过横梁翼缘29和30测量的应变速度的分布更加均匀，而且与图7所示的变化情况相比较，横过横梁翼缘边缘46的应力大小在横跨横梁范围有明显减小的变化。
在优选实施例中，普通的W14×176(W360×162)的立柱10和W27×94(W690×140)的横梁12按一般方式用固定板48和螺栓50加以连接，并在翼缘上加以焊接。立柱10包括剪切连接板48，该板沿着立柱翼缘28的纵向支承面，在该板的长边进行焊接。使该固定板48贴靠在上下翼缘29和30之间的横梁腹板52的相对两侧面上。该固定板48和腹板52包括有多个预先打好的孔。将螺栓50穿过这些预先打好的孔，就可将该横梁腹板固定在这两块固定板之间。一旦横梁腹板52由螺栓固定，就可将横梁翼缘29和30的端部焊接在立柱翼缘28的支承面上。在节点同时采用螺栓和焊接可牢固地将横梁12和立柱10固定在一起，以提供在正常荷载条件的应力和应变下的结构支承。
在节点14处的静荷载，冲击或动荷载作用下，仅仅这种结构并不提供对在这些条件下经受的应力和应变提供足够的支承。为了达到本发明目的，将应力定义为单位面积上所受的力，将应变定义为单位长度上的伸长量，如图5和6所示，在横过横梁翼缘的宽度方向的7个等距点70-78上所测量的模拟整个地震期间的地震荷载(psi为单位)的结果表明，在横梁翼缘的中心73处测量的应力值大大超过其它点的测量值。此外，图中示出的应力值增加的斜率表示在沿横梁翼缘的不同点70-76获得的应变是不均匀的。图24表明了应变测量装置相对于立柱中心线的确切位置。当测量远离立柱翼缘的中心73沿着横梁翼缘边缘进行时，在各对测量点72和74，71和75，70和76，也就是当距离在横梁翼缘上离开中心向外延长时，应力值显著减小。这些结果表明，在立柱腹板的中心线上，在横梁腹板与立柱翼缘连接部的中心，在节点14的横梁翼缘29既经受着最大应力值，又经受最大的应变值。节点14的形状指上横梁翼缘29和下横梁翼缘30的任一个的区域，或者两个翼缘的区域。立柱腹板槽口44沿纵向开在立柱腹板20内，它位于下横梁翼缘30连接区域的中心，该槽口一般离靠近横梁翼缘节点的立柱翼缘的内表面大约3/4英寸(1.905cm)。在该优选实施例中，最好槽口的长度在4-8英寸(10.16cm-20.32cm)的范围内。利用长度为4.5英寸(11.43cm)，宽度为0.25英寸(0.635cm)的槽口，在离翼缘3/4英寸(1.905cm)处得到了最好的结果。比8英寸(20.32cm)更长的槽口也是有用的。本领域的普通技术人员知道，本优选实施例的特殊结构和尺寸也可加以改变以便适应特定的应用，这要根据试验结果所用立柱和横梁的尺寸决定。
承载板16及18和相应的支承板32和34最好都是用具有普通梁截面的切割段制造的。承载板构成切割段的翼缘表面，而支承板则构成切割段的腹板。作为替换方式，用局部熔透焊接方式焊接在支承板上的单独的承载板，只要具有足以使其发挥所述作用的厚度，则也能充分胜任。在象地震期间出现的动荷载作用下，水平支承板32或34最好与立柱翼缘28不相接触，因为这样的接触会导致立柱翼缘刚度的增加，因而导致在该位置处应力的增加。各支承板的底部40在纵向上最好沿相应的承载板16和18的中心线延伸以增加该承载板的刚性，而且还渐渐变成较窄的、沿立柱腹板20宽度方向焊接的顶边。最好，梯形的支承板表面在相应的立柱翼缘和支承板的边缘之间形成有间隙。由于槽口44形成于位于该间隙区域内的腹板中，该间隙将形成足够大的开口区域使翼缘产生弯曲。
本发明的立柱槽口及普通的立柱连续性板的特点参看图9，如上所述，图中所示的立柱100与横梁102在节点104相连。上部的普通连续性板106，通常也叫加强件或立柱加强件，它沿水平方向从左立柱翼缘110跨过立柱100的腹板108延伸到右立柱翼缘112。连续性板106与上横梁翼缘114共面，而且是用与立柱相同的材料制作的，其厚度基本与该横梁翼缘相同。参看图10所示的顶视图，在该图中表示有立柱100，横梁102，立柱腹板108以及上横梁翼缘114。它还在该图中还表示有连续性板106，左、右立柱翼缘110和112。
再参看图9，所示的下连续性板116是与下横梁翼缘118共面的。所示的上立柱槽口120穿过立柱腹板108，而且最好是沿竖向的，并沿右立柱翼缘112的内侧。槽口120的下端，或终点122和上端124均为孔，最好预先钻好它。在立柱是W14×176(35.56cm 447.04cm)的钢柱的场合，这些孔120，124最好是3/4英寸(1.905cm)的钻孔，而槽口是长度为1/4英寸(0.635cm)，并完全穿过腹板的开口。当与W27×94(68.58cm×238.76cm)的钢梁连接时，槽口120在两孔122和124中心之间的优选长度为6英寸(15.24cm)，而且长边则在两孔中最靠近翼缘的周边处与两孔相切。两孔的中心最好还距右翼缘112的内表面3/4英寸(1.905cm)。孔122的中心离上连续性板106最好为1英寸。位于下连续性板106下面的是下立柱槽口130，其上、下端分别为孔132和134。立柱槽口130的尺寸最好与上立柱槽口120的尺寸相同。下立柱槽口130在腹板108中与下连续板116的下表面136、右立柱翼缘112和下横梁翼缘118的相对位置同上槽口120与连续性板106和上横梁翼缘114的相对位置相同。这些孔的直径都可改变，这由特定的设计场合决定。
本发明的横梁槽口特征还是参看图9，该图表示本发明。上横梁槽口136的具体结构在图11中所示出，图9所示的该槽口136穿过横梁腹板，而且基本沿水平方向并平行于上横梁翼缘114。横梁槽口的第一端138即图中的左端，终止在立柱翼缘112上。对于典型的钢梁W27×94(68.58cm×238.76cm)来说，该槽口的宽度最好为1/4英寸(0.635cm)，并穿过整个横梁腹板103的厚度。上水平横梁槽口的第二端140为孔，在本优选实施例中其直径最好为1英寸(2.54cm)。该孔的中心这样定位，使得槽口136的上边缘142与该孔相切，在图11中可更清楚地看到这点。此外，对于W27×94(68.58cm×238.76cm)的钢梁来说，槽口136的中心线144离上横梁翼缘114的下表面146的距离为3/8英寸(0.9525cm)，孔的中心148离横梁翼缘表面的距离为17/8英寸(4.7625cm)。本实施例的优选槽口长为6英寸(15.24cm)。参看图9，该图表示有下面的水平延伸的横梁槽口150。该下横梁槽口150与相应的端孔152的底部相切，而且该槽口和孔的尺寸都与上横梁槽口的那些尺寸相同。下横梁槽口150相对于下横梁翼缘118的上表面154的位置与上横梁槽口136相对于上横梁翼缘114的下表面146的位置相同。
参看图13，该图表示与两个横梁158，160连接的单立柱156。如在上面所作的很详细的描述那样，该立柱156包括上立柱槽口162、164和下立柱槽口166、168，这些槽口都靠近相应的立柱翼缘170、172，而该两凸翼缘分别与两横梁158、160中的一个相连。此外，图中所示的两横梁中的每一个都具有上横梁槽口174、176和下横梁槽口178、180，如在上面所作的很详细的描述那样。横梁160同立柱156之间的节点中的立柱和横梁槽口都是横梁158同立柱156之间的连接部中的相应立柱和横梁槽口的镜象，而且该槽口具有的尺寸与图9-12节点中的相应槽口尺寸相同。
这些槽口在取向上可从竖直改变到水平，以及两者间的任何角度。在一给定的应用中，各槽口的取向也可不同。此外，槽口的形状，或结构也可从此处所述的直线槽口改变成曲线形槽口，这取决于特定的应用场合。
本发明的双重横梁槽口的特征按照传统惯例，许多管理和/或设计审批机关都可以要求对普通的横梁同立柱的节点进行改良，以便横梁的塑性铰链点沿横梁进一步从立柱同横梁的节点移开，而不是位于普通的连接部中。典型地说，业内的许多人士认为塑性铰链点离节点的可接受的最短距离是D/2，这里的D是横梁的高度。按照本发明，如图14中所示，图中表示有上面所述的立柱182和横梁184以及连续性板186。横梁184具有上横梁槽口190、192，和下横梁槽口194和196。紧靠立柱182的横梁槽口已在上面作过很详细的描述。第二横梁槽口192、196的中心线与第一横梁槽口190和194的中心线重合。该第二横梁槽口192、196的作用是使塑性铰链点进一步离开横梁同立柱的节点。第二横梁槽口192、196分别具有两个端孔202，204，206，208，这两个槽口的方向与第一横梁槽口的方向相同。在钢梁W27×94(68.58cm×238.76cm)中，第二横梁槽口的优选长度，从端孔202的中心到孔204的中心的距离为12英寸(30.48cm)，而端孔的直径为1英寸(2.54cm)，如图14所示。此外，第二上横梁槽口112的第一端孔202的中心距第一上横梁槽口190的端孔210的中心的距离为6英寸(15.24cm)。这些端孔的中心线在倒角区(fillet area)外彼此重合。该第二横梁槽口刚好开在翼缘的倒角区外侧的腹板中，而且端孔与槽口在与最近的横梁翼缘紧靠的孔边处相加。该第二横梁槽口的宽度最好是1/4英寸(0.635cm)，而且该槽口穿过横梁的整个厚度。再来参看图14，将第二下横梁槽口196切成与第一下横梁槽口194共线。该第二下横梁槽口196最好具有与第二上横梁槽口192相同的尺寸，而且它相对于下横梁翼缘的上表面210的位置与第二上横梁槽口192相对于上横梁翼缘的下表面212的位置相对应。
虽然在图14中没有示出，但上述的立柱槽口，承载板，和/或支承板可以同这双重横梁槽口一同使用。
本发明的加大的剪切板的特征参看图15，该图表示有立柱214，横梁216，连续性板218和220，上横梁槽口222，下横梁槽口224，上立柱槽口226，下立柱槽口228，以及加大的剪切板230。一般普通剪切板具有接纳单排螺栓232的宽度。按照本发明，可以将剪切板232加大到能接纳多达3排螺栓232的宽度。本发明的剪切板230可用到建筑物的最初设计和/或后来对建筑物的改造中。在使用钢梁W27×94(68.58cm×238.76cm)的典型钢框架的结构中，宽度约为9英寸(22.86cm)的剪切板将接纳两排螺栓。典型地说，螺栓孔的中心间隔为3英寸(7.62cm)。当在压曲断裂模型的荷载作用下横梁开始出现断裂时，加大的剪切板可防止横梁腹板的过早断裂。
工业应用本发明可用于新修建，也可用于现有结构物的改造或改建所用的钢框架中。本发明的特征，如象立柱槽口和横梁槽口以及它们的位置，都将随结构不同而变化。一般来说，本发明可用于腹板腹板与横梁翼缘的交界面外，在高荷载条件下(如地震期间)，预升在该界面处的应力集中以及由于这应力集中引起的应变速度的影响都会达到或超过断裂的程度。在给定结构中对上述具体节点的鉴定常常是通过传统的分析方法来进行的，而这些方法是本领域的普通技术人员所熟知的。这种节点的设计准则和设计原理的基础是利用高精度的有限元模型对各个焊制抗弯钢框架中的典型节点所作的分析和对这些连接部所作的实尺寸的原型试验。他们最好是使用版本为5.1或更高版本的ANSYS程序和预处理与后处理的工程师专用程序(Pro-Engineer program)相配合。一般来说，这些模型包含四节点板弯曲元和/或10节点线应变四面体实体元。迄今的经验表明，为了分析这些节点中的复杂应力和应变分布，需要具有40000个单元和40000个自由度的模型。在利用实体元时，一般都需要作子模型(也就是模型中的模型)。市场上出售的计算机硬件能够运行可完成必要的分析的解析程序。
本发明具有多项优点，而且这些优点对应于存在于由型钢制的典型钢结构内的横梁翼缘同立柱翼缘的节点的不均匀应力分布。如果为了设计和建造的目的，在横梁同立柱之间的交界面处的焊接金属上的应力，对于整个连接宽度来说，先前认为是处在标称的或不均匀状态，则考虑本发明的特征1、发生在焊接节点处立柱翼缘的中心的应力集中。
2、横过焊缝沿垂直和水平两个方向的应变值。
3、当与接缝边缘上的很低的应变速率比较时，在普通节点的接缝中心的高应变速度。
4、立柱的垂直弯曲，以及它对横过该焊接处的垂直表面产生压缩和拉伸普通节点造成的影响。
5、立柱翼缘的水平弯曲，以及它对焊接处的不均匀加荷的影响。
6、本发明的特征可以应用到单独的节点上，而不改变该单独节点的刚性。
7、普通的抗震框架分析的解析程序可与本发明一起使用，因为与普通设计方法比较，应用本发明并不改变该结构的基本周期。
在立柱中没有连续性板的普通结构中测得的应力比在设计中所使用的计算标称应力大4-5倍。对于这些应用在节点上的改进，我们已证明，在“弯曲中的最外纤维”上的应力集中因子减小到大约标称设计应力值的1.2-1.5倍的水平。通过消除施加有拉伸荷载的翼缘的腹板一侧的压力，便可增加节点性能。在横贯焊接处的垂直面上这种从压缩到拉伸的应力梯度的消除就消除了对焊接金属的撬开作用。
在数学模型中本发明的使用例子利用上述的有限元分析，在包含本发明的各特点的横梁同立柱节点上进行几个位移的分析，就象在普通节点上一样。立柱翼缘和横梁翼缘边缘的位移可用ANSYS 5.1数学建模技术来确定。
参看图16，该图表示在给定荷载条件下对于普通的横梁同立柱的节点来说，在横梁同立柱的节点处的横梁翼缘和立柱翼缘的基线位移，该荷载条件与地震期间发生的荷载条件近似。线234代表立柱翼缘的中心线，而区域236则是在与横梁翼缘的节点处。区域238在立柱翼缘中心线的附近，离开横梁同立柱的节点某一垂直距离的位置上。例如，如果区域236代表上横梁翼缘上的一个连接部，则区域238就是在横梁同翼缘连接处上方，立柱翼缘垂直中心线附近的区域。线240代表立柱翼缘的外边缘。线242代表连接的横梁翼缘的中心线，而线244代表横梁翼缘的外边缘。参看图17，该图为普通的横梁246同立柱248的节点的侧面透视图，并表示立柱的中心线234与在236的连接点中心垂直上方的区域238。同样地，该图表示沿着横梁翼缘延伸的横梁翼缘的中心线242，在这种场合，该横梁为上横梁翼缘，该上横梁翼缘是在上述的节点上。该图还示出了外立柱翼缘边缘248和外横梁翼缘边缘244。在左垂直线240和右垂直线234之间的距离“a”一般表示在施加荷载期间翼缘边缘的位移。这样，两线之间的较大距离表示在给定的荷条件下，该立柱翼缘的边缘240与沿着其垂直中心线234的立柱翼缘相比有明显的位移。同样，横梁中心线242和翼缘边缘244之间的距离“b”用于衡量横梁翼缘的边缘244相对于横梁翼缘的中心线242沿相对立柱其长度方向的位移普通，。图16表示不包含本发明的任何特征的立柱248同横梁246的节点的位移。
参看图18，该图为具有横梁槽口和连续性板的横梁同立柱的节点的位移图。在图18中，区域250代表这个槽口。线252代表该立柱翼缘的边缘，线254代表立柱的中心线，线256代表横梁翼缘的边缘，线258代表横梁的中心线。距离“c”和距离“d”分别代表在荷载条件下立柱翼缘边缘相于中心线的位移和横梁翼缘边缘相对横梁中心线的位移。距离“c”和“d”代表在角钢立柱边缘和横梁翼缘的位移分别与该立柱和横梁的中心线的位移相比较是很明显的。在将图16中的距离“a”和“b”同图18中的距离“c”和“d”比较时容易发现，位移量在钢框架结构中使用横梁槽口的场合小。在普通节点和具有横梁槽口的连接之间翼缘边缘的位移减小表示在加荷期间施加的力明显较均匀地吸收在具有横梁槽口的节点中。
图19是具有横梁和立柱槽口以及立柱的连续性板的、横梁同立柱的节点的位移图，该立柱规格为W27×94(68.58cm×238.76cm)，并与规格为W14×176(35.56cm×447.04cm)的横梁相连接。区域260代表在上面已借助于图9、10和12作过较详细地描述的立柱槽口，而区域262则代表在上面借助图9和11作过较全面描述的横梁槽口。线264代表该立柱翼缘边缘，线266代表该立柱的中心线，线268代表该横梁翼缘边缘，线270代表该横梁翼缘的中心线。还容易发现，两根垂线264和266之间的距离和两根一般来说是向下倾斜的横线268、270之间的距离表示具有立柱槽口和横梁槽口以及连续性板的节点处的翼缘边缘和翼缘中心线之间的位移，该位移比普通连接的翼缘边缘和翼缘中心线之间的位移小很多。如上面讨论的那样，该位移的减小表明具有横梁和立柱槽口以及连续性板的节点能够比普通节点更均匀地吸收由荷载所施加的力。
图20表示具有本发明的双横梁槽口的横梁的压曲情形。标准的W27×94(68.58cm×238.76cm)横梁272包含有下部的第一横梁槽口274和第二或重复的横梁槽口276，如图所示。在分析中包含有相应的上部的第一和第二横梁槽口，但在图中却没显示出来，这是因为在图中它们为上横梁翼缘遮盖而看不见所致。这些双重的横梁槽口是同在上面针对图14所做的描述的相同。该图表示在上横梁翼缘中，翼缘的塑性铰链处，即区域278处横梁的压曲，翼缘向下变形成一般的U形或V形。在横梁腹板中，变形呈图中腹板的区域280所示的形状，该区域受压脱离原来的平面而构成突出页面的隆起，如图20所示。如图所示，塑性铰链点是在第二上、下横梁槽口的上方和下方的腹板区域中，而不是在横梁同立柱的节点本身上。
图21是包含有本发明的上、下立柱槽口和上、下横梁槽口的横梁同立柱节点的滞后回线图，这种节点如图9所示。该“滞后回线”是施加的荷载与焊接在立柱上的悬臂梁的变形之间的关系曲线。
参看图25和26可发现，由于模拟的地震荷载立柱产生垂直和水平的弯曲。由于该立柱翼缘316的垂直弯曲，横梁310要经受在横梁翼缘312和314中较高的二次应力的作用。此外，还发现，由于在横梁翼缘312和314中的拉力和压力的作用，立柱翼缘312产生水平弯曲。在横梁翼缘312和314中会发生急剧地弯曲，这包括在横梁翼缘312和314中对立柱翼缘316的杠杆作用所引起的弯曲。该应力向立柱腹板316集中，并在区域320达到最大。横梁槽口的作用是将立柱翼缘的垂直和水平弯曲的影响减小到最小。
横梁腹板焊接到立柱翼缘的特点已发现，将横梁腹板焊接在立柱翼缘上可给本发明的这种节点提供额外的强度和延展性。该优选实施例采用全熔透焊接或I形坡口焊接。任何提高横梁腹板在整个剪切板长度上的强度的焊接对于本特征来说都是等效的。参看图27和28，该图表示节点400，其中横梁402同立柱404垂直相连。横梁腹板通过螺栓紧固和/或焊接在剪切板406上，并沿着界面在位置401处焊接到立柱翼缘上。带有槽口的横梁节点的这个特征可以用于减轻和/或避免立柱翼缘整个厚度断裂的可能性。图27还表示有上述的上、下横梁槽口410，412。
垂直翼片的特点还发现，有槽口的连接最好采用垂直的钢制翼片，这翼片附着在横梁和立柱翼缘的交界面上。参看图27，图中所示的垂直翼片414置于下横梁和立柱的翼缘的交界面418下面。这些垂直翼片最好是钢制的三角形板，而且其厚度常为3/4”(1.905cm)。
水平翼片的特点还发现，本发明的带有槽口的横梁节点最好采用水平翼片，该水平翼片最好也是三角形的。参看图29，该图表示节点420其中横梁422与立柱424相连接。图中所示的上部的水平三角形翼片426和下部的水平三角形翼片428焊接在立柱翼缘和剪切板430上，该剪切板又通过焊接和/或用螺栓紧固在横梁422腹板上。典型地说水平翼片是厚度为1”(2.54cm)的钢板。该剪切板和水平翼片可以用在横梁腹板的前面和/或后面。
本发明对于箱型柱的适用性上面对本发明的带有槽口的节点用于工字横梁或W形立柱已经作了图示和描述。但本发明也可用于一些应用场合，最好是采用模型柱的场合。参看图30，在图示的节点432中，横梁436和438是与箱型柱440节点的。最好，将本发明的带有槽口的横梁的特征引入该横梁，如横梁436中，并与正对着的箱柱440翼缘442进行连接。同样，在相对的侧边，将包含本发明的槽口特征的横梁438连接到该箱型柱440翼缘434上。
带斜边的槽口的特点还发现，带斜边的，或双宽度(double width)的横梁槽口可以用于本发明的节点中。参看图31，例如，图中所示的横梁槽口440与横梁翼缘442相邻。最好，这个槽口在靠近立柱翼缘的区域444较窄，并在朝向端部和沿其纵向离开上述的邻近立柱翼缘时槽口变宽。这个带斜边的槽口的特征有助于控制立柱翼缘附近的弯曲幅度，以便使得在立柱同横梁翼缘的交界面外，横梁翼缘超出平面的弯曲没有在剪切板上方沿横梁翼缘长度方向上的弯曲明显。典型的，优选的带斜段的槽口在立柱翼缘处的宽度可在大约1/8”至1/4”(0.3175cm×0.635cm)之间变化，其包括基本与剪切板的宽度相等的节段，其尺寸比如为7”(17.78cm)，然后再加宽到大约3/8”，(0.9525cm)，直至该槽口的端点。典型地说，这槽口的的界限大约是横梁翼缘宽度的1.5倍。
在本发明的抗弯钢框架中横梁同立柱的节点的设计方法作为本发明的一部分，提出了一种抗弯钢框架中横梁同立柱的节点的设计方法。这个设计方法包括剪切板和横梁槽口的设计。
剪切板的设计剪切板的设计包括形状，或剪切板的高度，剪切板的厚度和长度。下面描述的是设计准则。
关于剪切板的高度设计，首先是利用考虑到板的焊接和横梁的腹板槽口的最大高度。典型地说，该高度，hP＝T-3”(7.62cm)，其中T是取自AISC设计手册。例如，对于W36×280(91.44cm×711.2cm)的横梁，T＝31 1/8”(79.0575cm)。这样hP＝31 1/8”-3”(79.0575cm-7.62cm)＝28”(71.12cm)。
关于剪切板的厚度设计，可使用该板的弹性截面模量来推导出在立柱面上所需要的横梁/剪切板的弹性强度，这时还利用了图32所示的ATC-24力矩图，其上附有剪切板厚度设计的注解。对于这个计算，My(横梁)＝SbσyMp1＝My(ls/(lb-ls))＝Sbσy(ls/(lb-ls))Mp1＝Sp1δy其中Sp1＝tph2p/6对tp求解得tp＝(6Sbls)/(h2p/(lb-ls))或tpmin＝1.25×(横梁腹板厚度)例如对于W36×280(91.44cm×711.2cm)的横梁来说，如Ib＝168”(426.72cm)，Is＝24”(60.96cm)，则Sb＝1030in3(16,878.61cm3)，hp＝28”(71.12cm)tp＝1.31”(3.3274cm)。
因而应该使用厚度为1.50”(3.81cm)的剪切板。
剪切板长度的确定也涉及利用ATC-24力矩图来推导剪切板/横梁的强度要求，如图33所示。
参看图33，有Mmax＝(Sb+Sp1)σyS.F.＝Zb/Sb＝(lb-lp)/(lb-ls)或Ip＝lb-S.F.(lb-ls)对于lb＝168”(426.72cm)，ls＝24”(60.96cm)，S.F.＝1.13而言，则Ip＝5.28”(13.4112cm)。
利用8”(20.32cm)-推荐的Ipmin＝Is/3或Ipmin＝4”(10.16cm)。
总括地说，剪切板尺寸的设计方法如下剪切板的高度hp＝T-3”(7.62cm)剪切板的厚度tp＝(6Sbls)/(h2p/(lb-ls))或
tpmin＝1.25”×(横梁腹板)剪切板的长度Ip＝lb-S.F.(lb-ls)推荐的Ipmin＝ls/3或Ipmin＝4”(10.16cm)注T取自AISC钢的设计手册Sb＝横梁的截面模量，S.F.＝横梁的形状系数Ib＝(横梁净跨)/2确定横梁槽口尺寸的方法根据本发明的原理，最佳横梁槽口长度是1.5×(标称的横梁翼缘宽度)。这个准则的根据如下(1)包括10”(25.4cm)～16”(40.64cm)的横梁翼缘宽度的全尺寸的ATC-24试验。
(2)包括塑性横梁腹板和塑性横梁翼缘的压曲在内的有限元分析。
设计横梁槽口的长度是为了达到几个目的和/或几个功能。首先，它们用来使横梁翼缘和横梁腹板的塑性压曲独立地发生在该槽口区域。第二，该槽口的长度设计成能使塑性铰链的中心移开立柱面，例如，大约超过剪切板端部半个横梁深度。第三，槽口长度设计成能在从立柱面附近到这槽口端部的横梁翼缘内提供基本均匀的应力和应变分布。第四，槽口长度设计成能确保横梁翼缘的塑性压曲，以便提高横梁的全塑性抗弯矩能力。这可表示成Is/(3×tf)＝bf/(2×tf)≤65/(Fy)1/2已发现，横梁槽口的宽度在从立柱面到剪切板端部的区域内最好是大约为1/8”(0.3175cm)-1/4”(0.635cm)。从剪切板的端部到槽口的端部的区域内，最佳槽口宽度是3/8”(0.9525cm)-1/2”(1.27cm)。还发现，在立柱面上的较细的槽口能(a)减小延展性要求，减小为原要求的1/5-1/8，(b)减小在立柱面附近横梁翼缘的较大弯曲。远离立柱面的外侧的较深的槽口允许横梁翼缘发生弯曲，但这弯曲幅度限制在该翼缘的中心区域。
横梁槽口对刚性的影响按照本发明，利用ATC-24试验装置的高保真模型的有限元分析表明，本发明的横梁槽口并不改变该装置的弹性力-变形(elastic force-deflection)状态。因而当使用带有槽口的横梁时，标准的有限元程序可用来设计经受静荷载和地震荷载的钢框架。
地震应力集中和延展性要求因子本发明的抗弯钢框架中，具有槽口的横梁同立柱的节点设计的延展性和强度特性是本技术领域的重大进步。具有槽口的横梁腹板设计由于翼缘/焊缝的基本均匀的应力和应变分布，可减小在横梁同立柱翼缘的节点处的应力集中因子(SCF)，从典型值4.6减小到典型值1.4。这个4.6的应力集中因子可用有限元分析计算出来并在实验上观测到，它存在于pre-Northridge的、减小了横梁截面(八字抗拉试块)和盖板的连接结构中。该典型的4.6 SCF起源于较大的应力和应变梯度，这个梯度横过和贯穿立柱面上的横梁翼缘/焊缝。对于延展性材料而言，带有槽口的横梁的SCF的减小也减小了在立柱翼缘/横梁翼缘/焊缝处对材料的延展性要求，减小了大约一个数量级。该SCF和延展性要求因子(DDF)可表示如下SCF＝计算弹性应力/屈服应力。该DDF可表示为DDF＝应变/屈服应变-1＝SCF-1。
在将普通连接的SCF和DDF同本发明的节点的SCF和DDF进行比较时，基线，或普通的节点包括CJP的横梁同立柱的焊缝，而并不包括连续性板。本发明的节点包括CJP的横梁同立柱的焊缝和横梁槽口，以及连续性板，这是由上述的分析和方法所确定的。
人们相信，带有槽口的横梁的本发明(1)改善了横梁的全塑性抗弯矩能力；(2)使横梁中的塑性铰链从立柱面离开；(3)导致了在立柱面到槽口的端部的横梁翼缘中基本均匀的拉和压应力。此外，本发明的具有槽口的横梁设计使横梁翼缘能发生与横梁腹板无关的压曲，因而使出现在无槽口的节点中的横向扭力塑性压曲的幅度大大地减小。这一特性减小了立柱翼缘上的横梁翼缘和焊缝中的扭力矩和扭应力。
尽管本发明已结合现在被认为最实用的和优选的实施例进行了描述，但应知道本发明并不限于上面描述的实施例，相反地，本发明应覆盖本发明的实质所包括的各种改进和等同结构，该改进和等同结构在后附的权利要求书进行了描述，该权利要求的请求保护范围按照最宽泛解释来限定，以便包罗所有这样的改进和等效结构，这些改进和等效结构可接下述方式应用或采用，即改正由施加在钢框架上的横向荷载产生的不均匀应力、应变和不均匀的应变速度。
权利要求
1.一种钢框架，它包括钢立柱，它具有第一翼缘、第二翼缘以及位于两者之间的腹板；钢横梁，它具有上翼缘、下翼缘以及位于两者之间的腹板；该横梁以垂直方式焊接在立柱的第一翼缘上；横梁中的槽口，设置在既靠近横梁的翼缘，又靠近立柱的第一翼缘的位置上。
2.一种钢框架包括钢立柱，它具有第一翼缘、第二翼缘以及位于两者之间的腹板；钢横梁，它具有第一翼缘、第二翼缘以及位于两者之间的腹板；该横梁以垂直方式焊接在立柱的第一翼缘上；横梁中的槽口，设置在既靠近横梁的第一翼缘，又靠近立柱的第一翼缘的位置上；立柱中的槽口，设置在靠近立柱翼梁并靠近，离上述横梁槽口最近的横梁翼缘的位置上。
3.一种钢框架，其包括钢立柱，它具有第一翼缘、第二翼缘以及位于两者之间的腹板；钢横梁，它具有第一翼缘、第二翼缘以及位于两者之间的腹板；该横梁以垂直方式焊接在立柱的第一翼缘上；横梁中的第一槽口设置在既靠近横梁的第一翼缘，又靠近立柱的第一翼缘的位置上；横梁中的第二槽口设置在既靠近横梁的第二翼缘，又靠近立柱的第一翼缘的位置上。
4.一种钢框架，其包括钢立柱，它具有第一翼缘、第二翼缘以及位于两者之间的腹板；钢横梁，它具有第一翼缘、第二翼缘以及位于两者之间的腹板；该横梁以垂直方式焊接在立柱的第一翼缘上；横梁中的第一槽口，设置在既靠近横梁的第一翼缘，又靠近立柱的第一翼缘的位置上；横梁中的第二槽口，设置在既靠近横梁的第二翼缘，又靠近立柱的第一翼缘的位置上；立柱中的槽口设置在与立柱翼缘和最接近第一横梁槽口的横梁翼缘相邻的位置上。
5.一种钢框架，其包括钢立柱，它具有第一翼缘、第二翼缘以及位于两者之间的腹板；钢横梁，它具有上翼缘、下翼缘以及位于两者之间的腹板；该横梁以垂直方式焊接在该立柱的第一翼缘上；横梁中的槽口设置在既靠近上述横梁的下翼缘，又靠近上述立柱的第一翼缘的位置上；连续性板，其在上述立柱的第一和第二翼缘之间延伸，并与横梁的第一翼缘共面。
6.一种钢框架，其中包括钢立柱，它具有第一翼缘、第二翼缘以及位于两者之间的腹板；钢横梁，它具有第一翼缘、第二翼缘以及位于两者之间的腹板；该横梁以垂直方式焊接在该立柱的第一翼缘上；横梁中的槽口设置在既靠近横梁的第一翼缘，又靠近立柱的第一翼缘的位置上。立柱中的槽口设置在与立柱翼缘和最接近横梁槽口的横梁翼缘相邻的位置上；连续性板，其在上述立柱的第一和第二翼缘之间延伸，并与横梁的第一翼缘共面。
7.一种钢框架，其包括钢立柱，它具有第一翼缘、第二凸翼以及位于两者之间的腹板；钢横梁，它具有第一翼缘、第二凸翼以及位于两者之间的腹板；该横梁以垂直方式焊接在立柱的第一翼缘上；横梁中的第一槽口设置在既靠近横梁的第一翼缘，又靠近立柱的第一翼缘的位置上；横梁中的第二槽口设置在既靠近横梁的第二翼缘，又靠近立柱的第一翼缘的位置上；连续性板，其在上述立柱的第一和第二翼缘之间延伸，并与横梁的第一翼缘共面。
8.一种钢框架，其包括钢立柱，它具有第一翼缘、第二翼缘以及位于两者之间的腹板；钢横梁，它具有上翼缘、下翼缘以及位于两者之间的腹板；该横梁以焊接方式焊接在该立柱的第一翼缘上；横梁中的槽口设置在既靠近横梁的下翼缘，又靠近立柱的第一翼缘的位置上。剪切板，其焊接在上述横梁腹板上，其具有一定的长度，高度和宽度在横梁的第一和第二翼缘之间延伸，而且其宽方向与长方向垂直并沿横梁腹板延伸。
9.按照权利要求1所述的框架，其特征在于该槽口具有一定的高度，一定的厚度，第一端和第二端，而且在该横梁上开的槽口完全穿过腹板厚度；该第一端是在靠近焊接处的横梁腹板的边缘上；该第二端是在离焊接处预定距离的位置上；
10.按照权利要求9所述的框架，其特征在于该第二端由一个圆孔构成，其直径大于该槽口的高度。
11.按照权利要求2所述的框架，其特征还包括该横梁槽口具有一定的宽度、厚度和长度；该横梁槽口的厚度与该横梁腹板的厚度相等，而且该横梁槽口在其一端与该端的圆孔相切，该孔的直径比该横梁槽口的宽度大；该立柱槽口具有一定的宽度、厚度和长度以及两个端部；该立柱槽口与两端相切，每一端部都是其直径比该立柱槽口宽度大的圆孔。
12.按照权利要求1-11中任何一项所述的框架，其特征在于还包括该横梁腹板与立柱的第一翼缘焊接的连接部。
13.按照权利要求1-12中任何一项所述的框架，其特征在于还包括附着在该横梁与立柱翼缘的交界面上的三角形钢制翼片。
14.按照权利要求1-12中任何一项所述的框架，其特征在于还包括附着在该立柱翼缘与横梁腹板或剪切板的交界面上的三角形钢制翼片。
15.按照权利要求1-12中任何一项所述的框架，其特征在于每一槽口都带倾斜段斜，其从靠近立柱和横梁交界面的较窄的槽口宽度渐变到该槽口另一端的较宽的槽口宽度。
16.一种钢框架，其包括钢箱型柱，它具有第一翼缘、第二翼缘以及位于两者之间的第一腹板和第二腹板；钢横梁，它具有上翼缘、一下翼缘以及位于两者之间的腹板；该横梁以垂直方式焊接在该立柱的第一翼缘上；横梁中的槽口设置在既靠近横梁的下翼缘，又靠近该立柱的第一翼缘的位置上。
17.一种钢框架结构，其包括立柱，它具有一对翼缘和一个腹板；钢横梁，其焊接在上述立柱的翼缘上；而且上述立柱中的竖向槽口设置在至少一个上述横梁翼缘的附近。
18.一种钢框架结构，其包括立柱，它具有一对翼缘和腹板；横梁，其具有一对翼缘和腹板；上述横梁的端部与上述立柱的外翼缘面相连接以形成节点；上述两立柱翼缘同该立柱的腹板沿着该两翼缘的纵向中心线在该立柱的翼缘的里面相连；一种能使靠近上述连接的横梁端部的横向应力和应变分布均匀的部件；这里，所说的使应力和应变分布均匀的部件减小了上述连接的断裂之间的平均时间。
19.按照权利要求17所述的框架结构，其特征在于还包括连接在上述立柱的两翼缘之间的垂直板，它设置在上述横梁的至少一个翼缘附近。
20.按照权利要求19所述的框架结构，其特征在于还包括连接在上述垂直板与腹板之间的水平板，它设置在上述横梁的至少一个翼缘的附近，上述水平板具有梯形的表面。
21.权利要求1，2，5，6，8和9中的每一项所述的框架结构，其特征在于还包括该横梁的第二槽口，它设置在该横梁的下翼缘中的上述槽口附近。
22.按照权利要求3，4和7中的每一项所述的框架结构，其特征在于还包括横梁中的邻近第一槽口的第三槽口和邻近第二槽口的第四槽口。
23.按照权利要求1-11中的每一项所述的框架，其特征在于每一槽口的长度都是标称横梁翼缘宽度的1.5倍。
24.按照权利要求1-11中的任一项所述的框架，其特征在于每一槽口都带倾斜段斜，其宽度从在立柱翼缘处的大约1/8”(0.3175cm)渐渐变到在另一端的大约3/8”(0.9525cm)～1/2”(1.27cm)。
25.一种用于给焊接的抗弯钢框架的节点的应力集中因子定量的方法，其步骤包括选择高精度的有限元模型，它至少包括40,000个单元和至少40,000个自由度；正确执行ANSYS，5.1版，或更高版本的有限元分析程序和用于预处理和后处理的工程师专用程序(Pro-Engineer program)，由此产生焊接抗弯钢框架的节点设计准则。
全文摘要
本发明用于提高在钢结构建筑物中的节点的,特别是在用螺栓紧固或铆焊腹板的连接技术形成的横梁与立柱的节点(306)中的强度性能,前述的钢框架常常是用轧制的结构型钢制作的,通过使用立柱槽口(130)和/或横梁腹板中的槽口(136)可大大地减小应力的明显的不均匀分布。这种不均匀的应力分布常出现在立柱/横梁的焊缝处的按传统设计的节点中。在立柱的两腹缘之间的立柱区域可具有,也可不具有连续性板(106),另外还可有选择地设置带有附加的几排螺栓的加长的剪切连接件(48),以便减小该腹缘焊缝中心处的应力集中因子。
文档编号E04B1/98GK1200782SQ96197945
公开日1998年12月2日 申请日期1996年8月29日 优先权日1995年9月1日
发明者C·J·阿伦, J·E·帕特里格, R·M·里查德 申请人:防震结构设计协会有限公司