幾種箱型梁柱節(jié)點(diǎn)性能數(shù)值分析與比較

楊小珊，周 超，王 湛，潘建榮

(1.廣東華工大建筑工程有限公司，廣東廣州 510641；2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州 510641)

幾種箱型梁柱節(jié)點(diǎn)性能數(shù)值分析與比較

楊小珊1，周 超2，王 湛2，潘建榮2

(1.廣東華工大建筑工程有限公司，廣東廣州 510641；2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州 510641)

通過(guò)對(duì)4種不同構(gòu)造形式的箱型梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析與比較，探求采用何種構(gòu)造形式才能滿足連接節(jié)點(diǎn)為剛接節(jié)點(diǎn)的計(jì)算假定，并擁有良好的力學(xué)性能。

箱型截面；剛性節(jié)點(diǎn)；構(gòu)造形式；力學(xué)性能

某建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)環(huán)大跨度空間結(jié)構(gòu)采用了縱橫交錯(cuò)空腹桁架系統(tǒng)，其桁架示意圖如圖1所示，該建筑最大跨度達(dá)到92 m，所有桁架的上、下弦桿和腹桿均采用箱型截面形式。

圖1 空腹桁架示意圖Fig.1 Schematic diagram of vierendeel truss

在計(jì)算模型中，各連接節(jié)點(diǎn)按照剛性連接節(jié)點(diǎn)計(jì)算，但一般的全焊縫連接并不能達(dá)到真正意義上的剛性連接要求。具體采用何種連接構(gòu)造形式以滿足剛性連接假定，是值得設(shè)計(jì)工作者探討的問(wèn)題。為此設(shè)計(jì)人員提出了幾種構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便的箱型梁柱連接節(jié)點(diǎn)形式，通過(guò)有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析比較各節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。

梁柱連接節(jié)點(diǎn)的性能，對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力與安全具有重大影響。根據(jù)受力變形特性，一般將鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接分為剛性連接、鉸接連接和半剛性連接3類。絕對(duì)意義上的剛性連接是不存在的，一般認(rèn)為，當(dāng)連接轉(zhuǎn)動(dòng)約束達(dá)到理想剛接的90%時(shí)，即能夠承受所傳遞彎矩的90%以上時(shí)，可認(rèn)為是剛接。按此條件，實(shí)際工程中的絕大多數(shù)連接的受力性能依舊達(dá)不到剛性連接的要求。歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范Eurocode3對(duì)梁柱連接的受力性能有一定量的定義。以連接的初始轉(zhuǎn)動(dòng)Ki為標(biāo)準(zhǔn)定義：Ki≥kbEIb/lb，為剛接；Ki≤0.5EIb/lb，為鉸接；0.5EIb/lb

大量研究和實(shí)踐已經(jīng)證明梁柱連接采用全熔透焊縫連接的形式并不能達(dá)到剛性連接的力學(xué)要求[1-5]。雖然該形式的節(jié)點(diǎn)剛度大、承載力高，具有一定的延性和韌性，但是在強(qiáng)震作用下，焊縫容易發(fā)生脆性斷裂的現(xiàn)象，所以必須加以改進(jìn)才能利用。為此設(shè)計(jì)了3種不同構(gòu)造形式的箱型截面梁柱連接節(jié)點(diǎn)形式外加普通全焊縫連接形式，并通過(guò)有限元分析軟件(ANSYS)數(shù)值建模計(jì)算，分析得到其力學(xué)性能，詳見(jiàn)圖2[6-7]。

圖2 試件示意圖 Fig. 2 Schematic diagram of specimens

在試件D1的節(jié)點(diǎn)區(qū)箱型梁的翼緣對(duì)應(yīng)位置設(shè)置加勁肋，在試件D2的節(jié)點(diǎn)區(qū)箱型梁的腹板對(duì)應(yīng)位置設(shè)置加勁肋，在試件D3梁柱翼緣位置進(jìn)行加強(qiáng)，具體構(gòu)造措施為各焊接20 mm厚的加強(qiáng)板進(jìn)行過(guò)渡，加強(qiáng)板與梁柱翼緣采用全熔透單面坡口焊接，D4為參照試件。各試件柱為450 mm×250 mm×14 mm×14 mm，梁為400 mm×250 mm×14 mm×14 mm，柱高1 500 mm，懸臂梁長(zhǎng)2 000 mm，除D3試件外，其余加勁肋的厚度均為14 mm。

1 有限元模擬方法

試件的有限元模擬采用的是通用有限元分析軟件ANSYS，梁、柱等實(shí)體采用20結(jié)點(diǎn)6面體單元Soild95模擬。為提高計(jì)算效率，將試件沿梁高方向的中心線取對(duì)稱軸，僅模擬試件的1/2[3]。鋼材料采用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，以便考慮包辛格效應(yīng)，屈服準(zhǔn)則采用Von Mises屈服準(zhǔn)則，盡可能準(zhǔn)確地模擬材料的力與變形之間的關(guān)系[8-10]。所有材料包括焊縫的彈性模量取E=2.0×105MPa，泊松比取ν=0.3，鋼材的屈服強(qiáng)度σy=400 MPa，極限強(qiáng)度σu=400 MPa，硬化點(diǎn)起點(diǎn)應(yīng)變?chǔ)?0.016，極限應(yīng)變?chǔ)舥=0.095。鋼材的本構(gòu)關(guān)系曲線見(jiàn)圖3，圖4為各試件節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的網(wǎng)格劃分結(jié)果。

圖3 鋼材的本構(gòu)關(guān)系曲線Fig.3 Steel constitutive relationship curve

將柱的左邊施加約束，同時(shí)在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，計(jì)算時(shí)考慮幾何、材料和狀態(tài)非線性，在梁端施加豎向荷載。

求解過(guò)程采用靜態(tài)分析，非線性分析采用預(yù)置條件共軛梯度求解器PCG，打開(kāi)大變形，同時(shí)也就激活了應(yīng)力剛化效應(yīng)選項(xiàng)[11-16]。

圖4 試件節(jié)點(diǎn)核心區(qū)單元?jiǎng)澐?Fig.4 Unit division of joint cores of specimens

2 模擬結(jié)果分析

圖5為各試件在單向荷載作用下的梁端荷載-位移曲線，而圖6為各試件的滯回曲線，表1為試件的有限元計(jì)算結(jié)果。其中Pu為梁端最大集中力；Mu為節(jié)點(diǎn)最大彎矩，M=PL，L為懸臂梁長(zhǎng)度；Δu為梁端最大豎向位移；θu為節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角,θu=Δu/L；θp為節(jié)點(diǎn)塑性轉(zhuǎn)角，θp=θ-PL/Ke,Ke為彈性轉(zhuǎn)動(dòng)剛度(初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度)，Ke=Me/θe；θpu為最大塑性轉(zhuǎn)角。

圖5 試件在單向荷載作用下荷載-位移曲線Fig.5 Load-displacement curves of specimens under monotonic loading

圖6 試件滯回曲線Fig.6 Hysteresis curves of specimens

試件編號(hào)Pu/kNMu/(kN·m)Δu/mmθu/radθpu/radKe/(kN·m·rad-1)D1486.5900.074.00.04000.028376993.1D2553.51024.0193.40.10450.090874582.3D3550.01017.579.70.04310.029373915.2D4249.1460.8205.80.11120.093325734.7

從圖5和表1可以看出試件D1，D2和D3曲線的初始段基本重合，D4的初始剛度明顯偏小，約為其他構(gòu)件的1/3。根據(jù)歐洲規(guī)范Eurocode3，所有試件的初始剛度均小于25EIb/lb(514 830.5 kN·m·rad-1)。由此可見(jiàn)，要滿足剛性連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能要求是比較難的。另一方面，試件D1，D2和D3的極限承載力也比D4有較大提高。

試件D2的極限梁端位移分別是試件D1和試件D3的2.6倍和2.4倍，可見(jiàn)在箱型梁腹板對(duì)應(yīng)處設(shè)置加勁肋，對(duì)提高連接的延性有比較明顯的作用。試件D3的極限承載力和試件D2相近，比試件D1略有提高。從圖6荷載-位移滯回曲線可以看出，試件D2和試件D4的滯回曲線呈飽滿的梭形，沒(méi)有出現(xiàn)捏攏現(xiàn)象，試件的耗能能力較好。而試件D1和試件D3相對(duì)來(lái)說(shuō)耗能能力較差。

3 結(jié) 論

一般的箱型梁柱全熔透焊縫連接并不能達(dá)到剛性連接的要求，可以通過(guò)構(gòu)造方式提高連接的初始剛度。

通過(guò)構(gòu)造措施可提高連接的承載力，但延性有不同程度的降低，在箱型梁的腹板對(duì)應(yīng)處設(shè)置加勁肋，相對(duì)于其他構(gòu)造措施來(lái)說(shuō)，延性較大。

在梁柱翼緣處設(shè)置加強(qiáng)板，構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便，雖然延性相對(duì)不足，但從提高構(gòu)件初始剛度的角度考慮，不失為一種較好的構(gòu)造措施，在該工程中可以考慮使用。

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Numerical analysis of the properties of several box-type beam-column joints

YANG Xiaoshan1, ZHOU Chao2, WANG Zhan2, PAN Jianrong2

(1.Guangdong Construction Engineering Company Limited, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510641, China; 2.School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510641, China)

Finite element numerical simulation analysis is used to analyze four kinds of construction box beam-column joints, and explore which construction's mechanical properties accords with the calculation assume.

box section; rigid joint; constructional form; mechanical property

1008-1534(2013)04-0219-04

TU311

A

10.7535/hbgykj.2013yx0401

2013-04-08;

2013-05-13

責(zé)任編輯：馮 民

國(guó)家自然科學(xué)基金(51178192)

楊小珊(1966-)，男，廣東揭西人，高級(jí)工程師，主要從事工程及企業(yè)管理方面的研究。

E-mail:yangxs@scut.edu.cn