帶加勁肋頂?shù)捉卿撨B接梁柱節(jié)點(diǎn)的有限元研究★

李 松 王 湛,2*

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640； 2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640)

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·結(jié)構(gòu)·抗震·

帶加勁肋頂?shù)捉卿撨B接梁柱節(jié)點(diǎn)的有限元研究★

李 松1王 湛1,2*

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640； 2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640)

為了研究影響鋼框架帶加勁肋頂?shù)捉卿撨B接梁柱節(jié)點(diǎn)的靜力性能的因素，采用ABAQUS，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行大量非線性有限元分析，探討了角鋼厚度、加勁肋厚度及其形狀尺寸、角鋼規(guī)格以及高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。

鋼框架，靜力性能，加勁肋，高強(qiáng)螺栓

0 引言

相對(duì)于傳統(tǒng)焊接鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)而言，頂?shù)捉卿撨B接顯得更加簡(jiǎn)單、高效、經(jīng)濟(jì)以及高質(zhì)量，安裝過程中底角鋼可以作為梁的承托，現(xiàn)場(chǎng)拼裝無需焊接。近幾十年來有大量關(guān)于頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點(diǎn)的性能研究成果[1]，認(rèn)為頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點(diǎn)變形能力強(qiáng)，具備良好的延性，但是強(qiáng)度與初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較小，而工程中往往在節(jié)點(diǎn)連接處角鋼上增設(shè)加勁肋。

對(duì)于角鋼連接加勁連接節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)性研究相對(duì)較少，Davor Skejic[2]根據(jù)EC3[3]設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行頂?shù)捉卿摷觿爬吖?jié)點(diǎn)單調(diào)試驗(yàn)，并給出了初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度、強(qiáng)度計(jì)算方法，但并未對(duì)節(jié)點(diǎn)的滯回性能進(jìn)行研究。Faella[4]指出施加預(yù)緊力大小對(duì)節(jié)點(diǎn)的剛度與強(qiáng)度有較大影響。王素芳等[5]指出按照GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范與EC3設(shè)計(jì)連接節(jié)點(diǎn)初始剛度計(jì)算相差很大是由于施加高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力程度不同。

本文主要研究角鋼厚度、加勁肋厚度及形式、角鋼規(guī)格以及螺栓預(yù)緊力等因素對(duì)節(jié)點(diǎn)連接的靜力性能的影響，并給出相應(yīng)的建議。

1 模型及材料本構(gòu)

1.1 幾何模型

節(jié)點(diǎn)梁柱構(gòu)件全部采用的是熱軋H型鋼，柱截面：HM250×

250×9×14；梁截面：HM194×150×6×9。柱高取2 m，梁長(zhǎng)1 m。

1.2 有限元模型

利用軟件ABAQUS進(jìn)行建模分析。有限元模型中，梁柱、角鋼以及螺栓等構(gòu)件實(shí)體均采用C3D8R單元進(jìn)行模擬。高強(qiáng)螺栓桿與孔壁間，螺帽與梁翼緣、柱翼緣以及角鋼等相鄰板材間，角鋼與梁翼緣和柱翼緣間均采用接觸對(duì)單元，接觸面摩擦系數(shù)取0.3。節(jié)點(diǎn)有限元模型如圖2所示。

1.3 材料本構(gòu)

遵循結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的強(qiáng)柱弱梁的基本原則，柱鋼材等級(jí)比其他構(gòu)件取高一級(jí)，選用Q345，梁、角鋼以及加勁肋等其他鋼材等級(jí)選用Q235，螺栓選用8.8級(jí)M16摩擦型高強(qiáng)螺栓，鋼材和螺栓本構(gòu)關(guān)系如圖3所示。

材料參數(shù)見表1。

表1 鋼材材性參數(shù)

試件fy/N·mm-2fu/N·mm-2E/×105N·mm-2柱子345500210梁、角鋼235340210高強(qiáng)螺栓640800210

2 有限元結(jié)果分析

有限元模型共5組，分別選取角鋼厚度、加勁肋厚度及形式、角鋼規(guī)格以及螺栓預(yù)緊力進(jìn)行分析。

一個(gè)城鎮(zhèn)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)一個(gè)城市的發(fā)展至關(guān)重要，城鎮(zhèn)的產(chǎn)業(yè)是一個(gè)城市得以快速發(fā)展的基礎(chǔ)。城鎮(zhèn)化發(fā)展要求一個(gè)城市的第一產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平比較高，我們知道第一產(chǎn)業(yè)是為一個(gè)城市提供茶、米、油、鹽。只有保證一個(gè)城市的基本吃穿，一個(gè)城市才能不斷往高方向的發(fā)展。而一個(gè)城市的發(fā)展靠第一產(chǎn)業(yè)難以帶動(dòng)，必須大力發(fā)展第二、三產(chǎn)業(yè)，第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)是帶動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的鑰匙。但是武夷山民族地區(qū)，現(xiàn)在的發(fā)展還是主要靠第一產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)，第二產(chǎn)業(yè)還明顯依靠粗放型的加工為主，第三產(chǎn)業(yè)旅游業(yè)雖有所發(fā)展，但力度明顯不足，傳統(tǒng)的飲食業(yè)、商業(yè)仍然是其發(fā)展的主要方向。

2.1 角鋼厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)靜力性能的影響

有限元模型共4個(gè)，詳細(xì)參數(shù)見表2，分析結(jié)果如表3,圖4所示。表3中，Rini為節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度；My為節(jié)點(diǎn)彈性屈服彎矩；Mu為節(jié)點(diǎn)塑性極限彎矩，是指在沒有發(fā)生應(yīng)變強(qiáng)化時(shí)連接所能傳遞的最大彎矩；θy和θu分別為與My和Mu相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角。由圖4可看出：節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和承載能力隨著角鋼厚度的增加都有明顯的增大，JT2，JT3，JT4相對(duì)于JT1來說，初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度分別提高了21%，34%，42%，彈性屈服彎矩和塑性極限彎矩分別提高了42%，70%，110%，彈性屈服轉(zhuǎn)角分別增大了22%，32%，61%，塑性極限轉(zhuǎn)角分別增大了12%，82%，207%，說明節(jié)點(diǎn)的塑性發(fā)展隨著角鋼厚度的增加而減緩。從JT3與JT4兩條曲線可以看出對(duì)應(yīng)的連接螺栓處過早產(chǎn)生滑移，原因是角鋼厚度過大，與高強(qiáng)螺栓不匹配，建議高強(qiáng)螺栓替換成10.9級(jí)。

表2 角鋼厚度模型參數(shù) mm

表3 角鋼厚度參數(shù)下計(jì)算結(jié)果

2.2 加勁肋厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)靜力性能的影響

有限元模型共4個(gè)，詳細(xì)參數(shù)如表4所示，分析結(jié)果如表5，圖5所示。根據(jù)表5和圖5可以看出：ST2，ST3，ST4相對(duì)于ST1來說，初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度分別提高了 3.1%，4.6%，6.1%，彈性屈服彎矩和塑性極限彎矩分別提高了4.5%，6.9%，8.8%，彈性屈服轉(zhuǎn)角分別增大了2.2%，3.7%，4.3%，塑性極限轉(zhuǎn)角分別增大了1.9%，5.1%，6.1%，說明節(jié)點(diǎn)的塑性發(fā)展隨著加勁肋厚度的增加而減緩。可見，節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和承載能力隨著加勁肋厚度的增加都有所增大，但增幅并不是很明顯。

表4 加勁肋厚度模型參數(shù)

mm

表5 加勁肋厚度參數(shù)下計(jì)算結(jié)果

2.3 高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力對(duì)節(jié)點(diǎn)靜力性能的影響

有限元模型共4個(gè)，詳細(xì)參數(shù)見表6，分析結(jié)果如表7,圖6所示。可以看出：預(yù)緊力為10 kN時(shí)，節(jié)點(diǎn)連接螺栓處過早產(chǎn)生滑移；LS-30 kN，LS-50 kN，LS-70 kN相對(duì)于LS-10 kN來說，初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度分別提高了10.7%，16.9%，20.8%，彈性屈服彎矩和塑性極限彎矩分別提高了9.6%，10.8%，11.2%，彈性屈服轉(zhuǎn)角分別減小了71.9%，73.5%，74.6%，塑性極限轉(zhuǎn)角分別減小了49.8%，51.7%，53.7%，說明節(jié)點(diǎn)的塑性發(fā)展隨著螺栓預(yù)緊力的增加而加快。可見，節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和承載能力隨著高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力的增加都有明顯的增大。

表6 高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力模型參數(shù)

表7 高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力參數(shù)下計(jì)算結(jié)果

2.4 加勁肋形式對(duì)節(jié)點(diǎn)靜力性能的影響

有限元模型共7個(gè)，詳細(xì)參數(shù)見圖7，分析結(jié)果如表8，圖8所示。可以看出：SS1，SS4，SS5三種形式的節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度、彈性屈服彎矩和塑性極限彎矩最大，三者數(shù)值差不多；SS2和SS3的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度次之，比SS1小6%左右；SS6和SS7的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度最小，分別比SS1小11.3%和8.8%；加勁肋形式建議采用SS1，三角形兩條直角邊的長(zhǎng)度分別等于角鋼兩肢的長(zhǎng)度。

表8 加勁肋形式參數(shù)下計(jì)算結(jié)果

參數(shù)Rini/kN·m·rad-1My/kN·mθy/radMu/kN·mθu/radSS1460313.60.003120.40.0076SS2434511.80.002717.70.0071SS3436511.80.002717.70.0074SS4468213.70.003020.50.0075SS5464513.40.002920.20.0078SS6408412.70.003319.00.0110SS7420011.70.002917.50.0082

2.5 角鋼規(guī)格對(duì)節(jié)點(diǎn)靜力性能的影響

有限元模型共4個(gè)，詳細(xì)參數(shù)見圖9，分析結(jié)果如表9，圖10所示。可以看出：J2，J3，J4相對(duì)于J1來說，初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度分別提高了0.3%，3.8%，10.7%，彈性屈服彎矩和塑性極限彎矩幾乎不變，彈性屈服轉(zhuǎn)角分別減小了2.8%，8.0%，10.0%，塑性極限轉(zhuǎn)角分別減小了6.6%，16.6%，18.9%，說明節(jié)點(diǎn)的塑性發(fā)展隨著角鋼規(guī)格的增大而加快。可見，節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和承載能力隨著角鋼規(guī)格的增大并沒有明顯的增加。

表9 角鋼規(guī)格參數(shù)下計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語

1)增加角鋼厚度和增大高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力，都能明顯增加節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和承載能力。

2)改變加勁肋厚度和角鋼規(guī)格，對(duì)節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和承載能力的影響不大。

3)加勁肋的形式對(duì)節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和承載能力的影響不可忽視，建議采用三角形，三角形兩條直角邊的長(zhǎng)度分別與角鋼兩肢的長(zhǎng)度相等。

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Finite element research of continuous steel beam-column joint of bottom angle with stiffening rib★

Li Song1Wang Zhan1,2*

(1.CollegeofCivil&Transport,HuananUniversityofTechnology,Guangzhou510640，China; 2.StateKeyLaboratory,SubtropicalBuildingScience,SCVT,Guangzhou510640,China)

In order to study factors influencing static performance of continuous steel beam-column joint of steel frame with bottom-angle stiffening rib, the paper carries out large amount of nonlinear finite element analysis of the joint by applying ABAQUS, explores the influence of angle steel thickness, stiffening rib thickness and size, angle steel scale and high-strength bolt pre-tightening force upon joint performance, and finally draws some valuable conclusions.

steel frame, static performance, stiffening rib, high-strength bolt

1009-6825(2017)07-0021-03

2016-12-27 ★:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378009;51378219);廣東省高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計(jì)劃(Yq2013014)

李 松(1992- )，男,在讀碩士

王 湛(1958- )，男，博士，博士生導(dǎo)師，教授

TU311.4

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