新型裝配式鋼結構節點力學性能分析

沙麗榮，于文濤

吉林建筑大學 土木工程學院，長春 130118

0 引言

隨著建筑時代的發展,現在開始興起了鋼結構的建筑,在國外建筑房屋開始使用輕鋼結構,相比于混凝土結構,鋼結構具有很多優點[1].首先,鋼結構的自重輕,雖然鋼的密度大于混凝土,但是在使用時通常都是把鋼材制作成H型鋼或角鋼等,這大大減少了體積,從而使它的自重相比混凝土結構要輕[2]；其次,鋼結構的制作周期短,施工速度快,能避免混凝土的支模和養護晾干等繁瑣環節.此外,鋼結構還有抗震性能好、強度高和綠色環保等特點.

1 焊接與高強螺栓連接

1.1 焊接連接

在施工作業時加入引弧板,能夠防止焊接時出現的缺陷，因為在一整條的焊縫中最可能出現缺陷的位置就是在引弧以及收弧的位置.在鋼結構連接中,力的傳遞是先從板傳遞到梁上,然后再從梁傳遞到柱子上,最后再從柱子傳到基礎[3].本文所用梁為熱軋HM 440×300×11×18,所用柱為熱軋HW 400×400×13×21.主要研究力從梁傳遞到柱子上的這一過程,假設梁傳遞的彎矩M為5 000 kN·m、剪切力為200 kN.在力的傳遞過程中,考慮梁端內力向柱傳遞時,原則上梁端彎矩全部由梁翼緣承擔,焊接強度計算如下:

角焊縫的抗拉、抗剪和抗壓強度設計值為[4]ffw=215 MPa.

式中,σ為焊縫強度,MPa;h0b,bFb,tFb分別為梁腹板的計算高度，mm；翼緣板的外伸寬度，mm；板的厚度，mm.

由于焊縫強度σ遠小于強度設計值ffw,因此結構能滿足焊接強度要求.

1.2 高強螺栓連接

梁端內力向柱傳遞時,原則上梁端剪力全部是由梁腹板承擔.當橫向加勁肋厚度大于梁的翼緣板厚度時,節點域的受剪正則化寬厚比為[4]:

式中,λn,s為節點域的受剪正則化寬厚比;hb為梁腹板高度,mm;tw為柱腹板厚度,mm;hc為柱腹板高度,mm;εk為鋼材強度換算系數.

式中,Mb1和Mb2分別為節點域兩側兩端彎矩設計值,N·m;Vp為節點域體積,mm3;ψ=0.6為折減系數;Mpb1和Mpb2分別為與柱節點域連接的左、右梁端截面的全塑性受彎承載力,N·m.

由于梁的抗剪強度和抗剪屈服強度都小于結構許用值,因此,結構能夠滿足抗剪強度要求.

2 有限元分析

2.1 建立模型

模型建立采用GUI方式,對前面所述的柱和梁進行有限元分析.加勁肋厚度和梁厚度均為18 mm,連接板尺寸為95 mm×16 mm×334 mm,如圖1所示.由于本文為鋼結構節點三維實體建模,因此單元類型選用有限元模型solid187.網格劃分不是采用單純自由劃分,而是采用控制性劃分,如圖2和圖3所示.

圖1 結構模型Fig.1 Structural model 圖2 控制劃分Fig.2 Control division 圖3 網絡劃分Fig.3 Mesh division

在對模型劃分網格后，還要對其進行約束與荷載施加,約束施加位置在底面,約束自由度的選擇是約束了X,Y,Z等3個方向全部約束.在梁的兩側施加了200 kN的集中荷載,方向豎直向下.

2.2 有限元結果分析

通過后處理查看有限元分析結果,獲得總位移云圖和總應力云圖如圖4和圖5所示.

圖4 總位移云圖Fig.4 Total displacement nephogram

圖5 總應力云圖Fig.5 Total stress nephogram

由圖4可見,在柱子的加勁肋附近位移變化較小,盡管建模時約束施加是固定的底面,但也能夠反映出加勁肋的設置對控制結構的位移有著顯著效果.與節點域相比,梁的翼緣的位移較大,這也證實了節點域的穩定性.剪力由梁的腹板承擔,雖然所施加的力不大,但由圖5可見，梁腹板發生了一些彎曲,對節點域沒太大影響,仍很穩定,受力也非常均衡沒有特突出的地方.

3 結論

對焊接和螺栓連接混合的梁柱連接鋼結構進行了強度計算和有限元分析.通過焊縫和高強度螺栓連接的強度計算，能確認加勁肋和節點域的強度滿足設計標準.利用有限元軟件對梁柱連接鋼結構模型進行了分析，獲得了鋼結構節點的力學性能，驗證了結構具有足夠的強度和穩定性.