基于半剛性連接門式剛架的抗震性研究

陳劍波(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京211188)

近幾年在工業(yè)廠房的建設(shè)中，門式剛架以其自重輕、強(qiáng)度高、抗震性能好、施工速度快、節(jié)能環(huán)保型等優(yōu)點(diǎn)得到眾多設(shè)計(jì)師的青睞，在工程建設(shè)中應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)法中，梁柱節(jié)點(diǎn)往往采用的是剛接，但在經(jīng)歷了日本的阪神地震后，工程設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的剛性節(jié)點(diǎn)并沒有達(dá)到預(yù)期的性能，多數(shù)節(jié)點(diǎn)在發(fā)生較低程度的塑性變形時(shí)就出現(xiàn)了脆性破壞，而此時(shí)結(jié)構(gòu)仍處于彈性階段，這使得工程師們開始將目光投向了半剛性節(jié)點(diǎn)。半剛性連接剛架的突出優(yōu)點(diǎn)在于其在地震作用下具有穩(wěn)定的滯回性能和良好的耗能性能，較剛性連接剛架具有更好的抗震性能，從根本上解決了剛性連接節(jié)點(diǎn)延性不宜保證，容易發(fā)生脆性斷裂的缺陷。

圖1 半剛性節(jié)點(diǎn)門式剛架的ansys建模

本文擬對(duì)一種采用半剛性節(jié)點(diǎn)的門式剛架進(jìn)行有限元建模及受力分析，并進(jìn)一步研究半剛性連接對(duì)門式剛架抗震性能的改善程度。

1 門式剛架的ANSYS建模

門式剛架整體模型計(jì)算假定：1）剛架梁柱離散化為3節(jié)點(diǎn)的非線性兩單元Beam189，柱間圓鋼支撐離散化為空間鉸接2節(jié)點(diǎn)的桿元Link10，屋面檁條采用Beam44梁?jiǎn)卧?）屋面檁條與剛架梁柱連接采用鉸接點(diǎn)，剛架梁柱采用半剛性連接，圓鋼支撐與結(jié)構(gòu)連接采用鉸接點(diǎn)，柱腳采用剛節(jié)點(diǎn)；3）本模型所有構(gòu)件假定為理想彈性材料，符合HOOKE定律；4）不考慮壓型鋼板的蒙皮效應(yīng)。 門式剛架的其他數(shù)據(jù)采用檐口高度9m，跨度24m，柱距6m，屋面活載0.6KN/m2，屋面恒載0.25KN/m2，不計(jì)屋面檁條以及鋼梁自重，基本風(fēng)壓0.35KN/m2，梁柱采用寬翼緣熱軋H型鋼，檁條采用C160x60x20x2.5冷彎薄壁型鋼，地震設(shè)防烈度為7度。計(jì)算結(jié)構(gòu)在荷載作用下的相應(yīng)參數(shù)以及工況組合。

2 門式剛架的ANSYS靜力分析

1）求解設(shè)置的參數(shù)化APDL程序

圖2 半剛性節(jié)點(diǎn)門式剛架的應(yīng)力強(qiáng)度云圖

Solu（ 進(jìn) 入 求 解 器 -Lsclear，all-Antype，0（靜態(tài)分析）-Autots，1（自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)）—Nsubst，25，100，1（設(shè)置載荷步）-Outres，all，all（輸出所有的結(jié)果）-Eqslv，pcg，（采用PCG算法）-Time，15（設(shè)置時(shí)間）。

2）建立邊界條件

在柱底端采用剛接約束，約束柱腳的所有方向的自由度；

3）模擬實(shí)際情況施加外荷載；

4）求解。

靜力計(jì)算采用von Mises 屈服準(zhǔn)則；按理想彈塑性考慮；采用牛頓-拉斐遜法自動(dòng)不斷修正彈塑性剛度矩陣，追蹤非線性變化過程。非線性有限元分析一般采用增量迭代法，以追蹤結(jié)構(gòu)整個(gè)變形歷程。增量迭代法有：牛頓拉斐遜方法、虛加剛性彈簧法、位移控制

法和弧長(zhǎng)法等。本文采用的有限元分析程序ANSYS，將牛頓拉斐頓方法和線性搜索技術(shù)、應(yīng)用預(yù)測(cè)、自適應(yīng)下降等加速收斂技術(shù)有機(jī)結(jié)合建立非線性平衡方程求解方法。

收斂準(zhǔn)則：

檢查迭代是否收斂的方法有：不平衡節(jié)點(diǎn)力判斷、位移增量判斷和增量理論判斷三種。本文采用了位移增量為判斷收斂的準(zhǔn)則：

α—收斂允許值，取0.001。

通過分析結(jié)果可見，與剛性連接相比，采用了半剛性節(jié)點(diǎn)的門式剛架的內(nèi)力圖發(fā)生了變化，主要體現(xiàn)在：梁柱端彎矩有減小的趨勢(shì)，屋脊彎矩變大，梁軸力減小，柱端剪力增大，其余內(nèi)力基本不變。產(chǎn)生該變化的主要原因是梁柱剛度小于傳統(tǒng)的剛接設(shè)計(jì)，剛度變小從而導(dǎo)致了剛架整體的內(nèi)力重分布，即使得支座彎矩減小而跨中的彎矩增大。這表明，盡管半剛性連接帶來了較好的抗震性能，但必須嚴(yán)格控制柱頂?shù)乃轿灰疲员ＷC門式剛架在靜力作用下的安全性。

圖3 半剛性節(jié)點(diǎn)門式剛架的內(nèi)力圖

3 門式剛架半剛性節(jié)點(diǎn)抗震性能的ANSYS分析

1）半剛性節(jié)點(diǎn)的ANSYS靜力計(jì)算

采用ANSYS計(jì)算所得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（見圖4），由應(yīng)力圖中可以發(fā)現(xiàn)，梁的翼緣部位、翼緣與角鋼連接部位、腹板與連接角鋼以及螺栓周圍這三個(gè)區(qū)域?yàn)楣?jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力區(qū)。

圖4 半剛性節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力云圖

2）半剛性節(jié)點(diǎn)的抗震分析

可以先根據(jù)靜力分析結(jié)果確定出結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力部位，把這些區(qū)域列為危險(xiǎn)區(qū)域，然后在抗震分析中重點(diǎn)研究這些區(qū)域的高應(yīng)力點(diǎn)。如上面所提到的對(duì)梁的翼緣部位、翼緣與角鋼連接部位、腹板與連接角鋼以及螺栓周圍這三個(gè)區(qū)域?yàn)楣?jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力區(qū)。根據(jù)前面所計(jì)算出來的這些危險(xiǎn)部位的靜荷載應(yīng)力由ANSYS中得Fatigue模塊進(jìn)行節(jié)點(diǎn)循環(huán)，計(jì)算結(jié)果如圖所示。圖中表示節(jié)點(diǎn)32632的疲勞使用壽命系數(shù)為0.80000，即該位置(節(jié)點(diǎn)32632)在以該荷載作用下循環(huán)80次后損耗了0.8的使用壽命，它的總壽命是(在本文的加載類型下)N=100，這表明該處為疲勞循環(huán)作用下的危險(xiǎn)區(qū)。

圖5 節(jié)點(diǎn)32632的疲勞計(jì)算結(jié)果壽命計(jì)算

根據(jù)上面幾個(gè)位置所計(jì)算得到的抗震壽命情況如表1所示：

表1 各節(jié)點(diǎn)的抗震壽命

由以上的數(shù)據(jù)可知，結(jié)構(gòu)在螺栓與角鋼部位(節(jié)點(diǎn)64112和節(jié)點(diǎn)64116)，角鋼與柱面的連接部位(節(jié)點(diǎn)32632和節(jié)點(diǎn)32638)是靜力作用下應(yīng)力較大部位，但在地震作用下僅有在螺栓與角鋼的64116部位和角鋼與柱面的32632部位是抗震危險(xiǎn)部位，所以應(yīng)在抗震設(shè)計(jì)中，對(duì)該部位加以重視，采用有效的處理方法以改善該部位的抗震壽命。由此可見，結(jié)構(gòu)在靜荷載作用下的應(yīng)力最大位置往往不一定是抗震危險(xiǎn)部位，但抗震危險(xiǎn)部位卻基本上會(huì)出現(xiàn)在這些靜荷載最大應(yīng)力部位的附近。根據(jù)ANSYS計(jì)算的結(jié)果和實(shí)際的試驗(yàn)相比較，數(shù)據(jù)的符合情況還是較好的。

4 結(jié)語

本文運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS，對(duì)采用半剛性節(jié)點(diǎn)的門式剛架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元建模及受力分析，并對(duì)半剛性連接的抗震性能模擬分析，為進(jìn)一步在抗震地區(qū)采用半剛性節(jié)點(diǎn)門式剛架提供了合理的理論基礎(chǔ)。

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