梁柱端板連接節(jié)點柱翼緣、柱腹板加強方法有限元分析

楊建林 葛金明

(1.江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院管理工程系，常州213147;2.江蘇筑森建筑設(shè)計有限公司，常州213000)

1 引言

目前不同形式的梁柱螺栓連接節(jié)點在鋼框架結(jié)構(gòu)中有著廣泛的應(yīng)用，然而螺栓連接節(jié)點的構(gòu)造形式、不同類別的鋼材屬性以及荷載條件對節(jié)點的連接特性有著重要的影響，因此國內(nèi)外存在大量的螺栓連接節(jié)點性能的研究，并針對其中的梁柱端板連接節(jié)點進行了相關(guān)的實驗測試[1-3]和數(shù)值分析[4-5]。

美國北嶺地震[6]與日本阪神大地震中許多梁柱焊接節(jié)點發(fā)生脆性破壞，因此對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的加強成為一項重要的任務(wù)。螺栓連接抗彎節(jié)點一般采用橫向加勁肋以避免柱子翼緣處出現(xiàn)破壞，通常在柱子腹板處焊接兩塊補強板而防止節(jié)點域出現(xiàn)較大的剪切變形，然而兩種補強方式均需要在柱子兩翼緣間進行焊接。在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，柱子翼緣間的空隙往往被設(shè)置為管道或者電子設(shè)備管線的通道，然而在施加橫向加勁肋后設(shè)置管道就會非常困難，同時設(shè)置橫向加勁肋時需要焊接，焊接過程繁瑣而會產(chǎn)生不可避免的焊接殘余應(yīng)力。

為了避免施加橫向加勁肋，Tagawa[7]采用槽鋼對梁柱端板連接中柱子進行加強，以防止柱子翼緣出現(xiàn)過大變形、柱子腹板壓屈以及節(jié)點域內(nèi)較大剪切變形。黃興[8]采用柱翼緣背加墊板防止柱子翼緣破壞，Grogan[9]采用角鋼替代橫向加勁肋進行補強，然而這些方法都無法有效地限制柱子腹板屈服、節(jié)點域的剪切變形。

本文采用角鋼與鋼板組合方式對梁柱端板連接節(jié)點柱部分進行加強，如圖3、圖4所示，該種構(gòu)造形式不僅能夠滿足管道需求，而且能加強柱抵抗變形的能力。一般梁柱螺栓連接節(jié)點在受到梁端彎矩作用下，螺栓、柱子翼緣、端板以及柱子腹板都可能發(fā)生變形，梁柱之間發(fā)生一定的轉(zhuǎn)角，是一種典型的半剛性連接。我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017—2003)[10]要求半剛性連接結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須預(yù)先確定連接的彎矩—轉(zhuǎn)角關(guān)系，EC3[11]規(guī)范中也明確提出通過組件法求出節(jié)點初始剛度與強度，因此本文對節(jié)點的初始剛度以及抗彎承載力進行非線性有限元進行分析，根據(jù)彎矩—轉(zhuǎn)角曲線得出節(jié)點的初始剛度與強度。

2 有限元分析

2.1 有限元模型

本文對6個不同構(gòu)造試件進行了有限元分析計算，試件具體補強構(gòu)造措施如表1所示，試件的詳細尺寸如圖1—圖4所示，均以S-1作為標準試件，其他試件在其基礎(chǔ)上進行改進補強。

表1 試件補強措施Table 1 Details of specimens with stiffened arrangement

圖1 端板幾何尺寸(單位:mm)Fig.1 Endplate geometry dimension(Unit:mm)

梁、柱構(gòu)件均采用焊接H型鋼，梁截面尺寸均為300 mm×200 mm×8 mm×12 mm，長度為1 200 mm;柱截面尺寸均為300 mm×250 mm×8 mm×12 mm，高度為2 000 mm，柱翼緣在端板外伸邊緣上下各100 mm范圍內(nèi)局部加厚，厚度與端板厚度相同，其中端板厚度為20 mm，端板尺寸均為200 mm×500 mm，柱腹板處補強板厚8 mm。等邊角鋼寬度為125 mm，厚度為8 mm，高度為700mm。角鋼連接板為200mm×700mm，厚度為8 mm。螺栓為10.9級摩擦型高強度螺栓M20，螺栓孔洞為22 mm，除高強度螺栓外，其余零部件的材料均為Q345B鋼，對于S-5角鋼內(nèi)貼采用三面圍焊。

圖2 S-1、S-2、S-3梁柱節(jié)點圖(單位:mm)Fig.2 Geometry dimension of the beam-column(Unit:mm)

圖3 S-4、S-5尺寸圖(單位:mm)Fig.3 Geometry dimension of the S-4、S-5(Unit:mm)

圖4 S-6尺寸圖(單位:mm)Fig.4 Geometry dimension of the S-6(Unit:mm)

建模過程中，對于所有試件的各零部件，均采用三維八節(jié)點非協(xié)調(diào)單元模擬(C3D8I)，C3D8I是在一階完全積分單元中引入了一個增強單元變形梯度的附加自由度，一定程度上克服一階完全積分單元邊不能承受彎曲作用;端板連接中端板和柱翼緣之間的兩個接觸面均通過面與面接觸對，以螺栓為主面設(shè)置，螺栓與孔壁、接觸板面之間面與面接觸對，采用bolt load施加螺栓內(nèi)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，在螺栓桿內(nèi)分三步施加170 kN預(yù)應(yīng)力，使用相當于在各個自由度方向上都將兩界面捆綁在一起的Tie約束來模擬焊接。考慮到試件關(guān)于梁柱腹板中心面的幾何對稱性，同時為了提高計算效率，所有試件的有限元模型均只建立實際構(gòu)件的一半，如圖5、圖6所示。

2.2 材料特性

圖5 節(jié)點有限元模型圖Fig.5 Finite element model of the connection

圖6 有限元螺栓模型Fig.6 Finite element model of the bolt

可將鋼材均視為各向同性材料，泊松比均取0.3，屈 服準 則均采 用Von Mises準則，材料 屈服后采用流動理論。M20高強螺栓的預(yù)拉力設(shè)為155 kN，端板與柱翼緣接觸面板進行除銹、拋丸處理后假定其抗滑移系數(shù)為 0.44[3]。

在建模時，對于試件中的Q345B鋼材，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均采用理想彈塑性，厚度小于或等于16 mm的鋼材，屈服強度為390 MPa;厚度大于16 mm的鋼材，屈服強度為360 MPa，彈性模量均為2.1×105MPa，螺栓的本構(gòu)關(guān)系采用表2參數(shù)。

表2 高強度螺栓的材料性質(zhì)Table 2 Material properties of high strength bolts

2.3 邊界條件

由于取1/2模型，因此在對稱面設(shè)置對稱約束，約束柱子頂面與底面XYZ三個方向的位移，在梁端局部布置剛體單元，并在其對應(yīng)的參考點上施加豎向位移60 mm。

3 有限元分析結(jié)果與討論

節(jié)點的轉(zhuǎn)角包括梁端端板與柱翼緣的縫隙轉(zhuǎn)角與柱子的剪切變形轉(zhuǎn)角，圖7、圖8分別給出了柱子剪切變形轉(zhuǎn)角與彎矩曲線、節(jié)點彎矩轉(zhuǎn)角曲線。在給定相同的豎向位移的情況下，考慮到鋼材的強化過程，轉(zhuǎn)角曲線有明顯的強化段，本文無法直接給出節(jié)點的屈服彎矩，文獻[12]將強化段切線與彈性段切線的交點設(shè)置為參考屈服彎矩如圖9所示。

由圖7、圖8所示，S-3、S-5柱子的剪切變形最小，節(jié)點域內(nèi)柱子剛度最大，S-6次之。S-3、S-5柱子的剪切變形占節(jié)點域總變形的5%，S-1、S-2、S-4由于無法較好地限制柱子的剪切變形，柱子的剪切變形占總變形的30%～40%之間。以S-1作為參考模型，表3根據(jù)圖8給出節(jié)點的初始剛度kini、參考抗彎強度MRf。

圖7 柱子彎矩-轉(zhuǎn)角曲線Fig.7 Moment-rotation curves of the column

圖8 節(jié)點彎矩-轉(zhuǎn)角曲線Fig.8 Moment-rotation curves of the connection

圖9 彎矩-轉(zhuǎn)角參照圖Fig.9 Moment-rotation reference curve

圖10、圖11所示，S-1與S-2柱子翼緣與端板沒有明顯脫開，柱子翼緣發(fā)生明顯的彎曲變形。S-2與S-1對比，S-2設(shè)置了柱子的橫向加勁肋，圖7所示橫向加勁肋能夠限制一部分柱子翼緣的變形，但是無法有效限制住節(jié)點域的剪切變形，橫向加勁肋增加了31%節(jié)點初始剛度，但是抗彎強度增大不明顯。

圖10 S-1應(yīng)力分布Fig.10 Stress distribution of S-1

圖11 S-2應(yīng)力云圖Fig.11 Stress distribution of S-2

S-2與S-3對比，S-3設(shè)置了柱子節(jié)點域內(nèi)補強板，圖7、圖12得出補強板較好地限制了柱子的剪切變形，塑性變形都開展在梁端。由表3可見，S-3相對S-1而言初始剛度增幅達62%，同時強度增加了47%，塑性變形主要發(fā)生在受壓區(qū)以及受拉區(qū)的塑性彎曲變形，端板與柱子翼緣有明顯的脫開。

圖12 S-3應(yīng)力云圖Fig.12 Stress distribution of S-3

S-4相對于S-1將外貼補強板設(shè)置為相同厚度的角鋼內(nèi)貼柱翼緣內(nèi)側(cè)，同時兩條角鋼通過高強螺栓與兩塊200 mm×700 mm鋼板連接，通過有限元分析發(fā)現(xiàn)該種方式無法增加節(jié)點的初始剛度與強度，原因在于角鋼與柱子翼緣之間脫開，如圖13所示，大大削弱了柱子翼緣的抗彎能力，柱子翼緣發(fā)生嚴重的彎曲。

表3 分析與結(jié)果比較Table 3 Analysis results comparison

圖13 S-4應(yīng)力云圖Fig.13 Stress distribution of S-4

S-5為了防止角鋼與柱子翼緣之間脫開，在角鋼上側(cè)和下側(cè)與柱翼緣接觸處施加角焊縫，同時在柱子翼緣外側(cè)與角鋼根部施加角焊縫，形成三面圍焊。有限元結(jié)果如圖7、圖8、圖14所示，顯示該種方式能夠達到與S-3相類似的效果，較好地限制了柱子節(jié)點域的變形，同時大幅度提升了節(jié)點剛度與強度。

圖14 S-5應(yīng)力云圖Fig.14 Stress distribution of S-5

S-6與S-4區(qū)別在于，將角鋼外貼柱子翼緣，螺栓的預(yù)應(yīng)力將角鋼夾在柱子翼緣與端板夾之間，能夠避免S-4出現(xiàn)的角鋼被拉開而脫離柱子翼緣，避免了焊接的工藝，同時便于在柱子弱軸設(shè)置連接。由表3可知，相對于S-1初始剛度增加11%，強度增加8%，如圖7、圖15所示，相對于S-1該節(jié)點能夠較好地限制柱子的變形，塑性區(qū)域開展在外包角鋼、端板與梁端。

圖15 S-6應(yīng)力云圖Fig.15 Stress distribution of S-6

3 結(jié)論

本文通過對多種構(gòu)造的梁柱端板連接節(jié)點的受力特性進行非線性有限元分析，并與相對應(yīng)的數(shù)值模型結(jié)果進行全面地對比分析，可以得到以下結(jié)論:

(1)橫向加勁肋能夠限制柱子翼緣的變形，但是無法較好地限制柱子節(jié)點域的剪切變形，能夠增強節(jié)點的初始剛度。

(2)橫向加勁肋、腹板外貼補強板能夠較好地控制節(jié)點域的剪切變形，能夠增加節(jié)點的初始剛度與強度，但是無法滿足建筑管道布置需求。

(3)角鋼內(nèi)貼柱子翼緣螺栓連接，角鋼與柱子翼緣之間脫落，柱子翼緣發(fā)生較大的彎曲變形，無法增加節(jié)點的剛度與強度。但是施加三面圍焊后，能夠達到與施加橫向加勁肋、腹板補強板同樣的效果，滿足建筑管線通道設(shè)置需求。

(4)角鋼外貼柱子翼緣連接，由于預(yù)緊力的存在，使角鋼與翼緣一起參與受彎，能夠較好地限制柱子變形，初始剛度與強度有一定的提高，同時無須焊接，安裝簡便，便于弱軸螺栓連接。

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