新型鋼結構裝配式節點有限元分析

楊軍平 熊英慶 鄒永勝

摘要：在既有的鋼結構梁柱外伸端板連接節點的基礎上，提出一種新型鋼結構裝配式節點，利用ANSYS有限元軟件進行單調遞增荷載和循環往復荷載作用下的數值分析，通過將新型節點在單調遞增荷載作用下的節點抗彎剛度與EC3規范下的節點剛度量化規定進行對比，得出結論：新型節點是一種剮性節點，通過將新型節點與既有的梁柱外伸端板連接節點在單調遞增荷載下的破壞模式、屈服位移、極限位移進行對比;在往復荷載作用下的滯回曲線、粘滯阻尼系數進行對比，得出結論：新型節點具有更好的節點強度、延性和耗能性能，新型節點破壞處外移至節點核心區以外，滿足“強節點弱構件”的抗震要求，端板厚度增加，可提高節點承載能力。

關鍵詞：梁柱外伸端板連接節點;剛性節點;強節點弱構件

中圖分類號：TU391DOI：10.16375/j.cnki，cn45-1395/t，2020.02.004

0引言

梁柱端板外伸式連接節點的優點有：施工簡單方便，施工環境依賴性小，構件質量不會因現場施工操作環境而降低，更易實現結構裝配化生產和安裝，傳統梁柱端板連接的節點承載能力取決于螺栓直徑和端板厚度，在保證螺栓承載力的前提下，節點剛度和承載能力隨著端板厚度增大而增大，增大到一定厚度效果不明顯，單純的增大螺栓直徑和端板厚度，只能提高節點承載能力，并不能改變節點的受力和破壞特征，為此提出一種新型鋼結構裝配式節點。

參考以往剛性節點擴翼緣加強，王燕等對鋼框架剛性節點擴翼緣節點進行研究，可以使梁柱節點塑性鉸外移至梁翼緣擴大端截面以外的位置，保證了節點核心區的強度，且節點有較好的變形性能，郁曙光把梁端翼緣加強與狗骨削弱結合起來，將節點塑性鉸外移至梁端狗骨削弱處，但狗骨處對框架梁承載能力有較大的削弱，在文獻[5]中提出了一種新型擴翼緣端板型連接節點，端板通過16個圓形分布的高強螺栓與H型鋼柱連接，研究了螺栓連接撬力分布，并未涉及到抗震性能研究，為充分發揮鋼框架梁的強度，擬提出一種新型的擴翼緣端板型連接節點：未削弱的鋼梁通過翼緣側板加強與端板相連，梁與端板在預制工廠內通過全熔透焊縫連接，來保證構件出廠時的焊縫質量，端板通過16個高強螺栓與柱連接，在外荷載作用下，避免了節點核心區應力集中，使得梁柱構件塑性鉸外移，滿足“強節點弱構件”的抗震性能要求。

計算機技術的飛速發展，給工程科學帶來了革命性的變化，以虛擬模擬為代表的計算機輔助工程（computer Aided Engineering，CAE）在科研開發、項目研制的過程中有無與倫比的優越性，在結構工程的研究中逐漸發展為以虛擬模擬分析為主的趨勢，例如文獻[7-8]都是以有限元軟件ansys對結構的節點或構配件進行模擬分析。

本文通過ansys有限元模擬分析，將加強型節點分析結果在歐洲鋼結構設計規范EC3下進行對比，得出加強節點是剛性節點的結論，節點加強形式通過側翼緣加強與螺栓數量的增設，節點承載能力在不同端板厚度下平均提高了36.86%，節點的加強不僅提高了節點承載能力，而且還改變了節點的耗能性能。

1節點設計

1.1裝配式節點的幾何參數

設計了兩種節點形式：rf（新型鋼結構裝配式節點）、base（梁柱外伸端板節點），節點形式為外伸端板連接，節點尺寸參數，柱選用寬截面H鋼，柱長1540mm，柱截面：400mmx400mmxll mmx18mm，梁長選用窄截面H鋼，梁長1500mm，梁截面：400mmx200mmx8mmx13mm，梁與柱采用外伸端板連接，新型加強型節點為擴大端板，端板長寬尺寸：640mmx400mm，常規節點端板長寬尺寸：640mmX200mm，兩種節點的形式和長寬尺寸信息見圖1.rf和base節點設置端板厚度對照，對照情況如下：basel、rfl-端板厚度15mm，base2、rf2-端板厚度25mm，螺栓選用10.9級的M24螺栓，兩種節點的節點核心區的端板定位和螺釘布置見圖2（a）、圖2（b），rf節點端板加強處尺寸見圖2（c）。

1.2節點試件材料的選取

根據該新型裝配式梁柱節點的設計和構造要求，梁和柱選擇Q395鋼，焊縫采用E43型，模型中考慮焊縫與梁柱同強度，型材和焊縫的本構關系見圖3（a），螺栓采用10.9級摩擦型高強螺栓，預拉力為225kN，摩擦系數為0.35.螺栓的本構關系見圖3（b），材料的性能指標見表1。

1.3有限元模型建立與網格劃分

因其節點內梁柱腹板中心截面為對稱截面，梁柱節點與外部荷載都關于梁柱腹板中心對稱，所以，建立模型時可建立幾何模型的1/2模型，在對稱面中設置對稱荷載，在ansys后處理時可將1/2模型結果還原成整體的梁柱節點結果，在ansys模型中所有構件都采用solidl85單元，節點核心區（柱中部和梁端板處）網格較密，其中高強螺栓的網格尺寸為10mm，端板與柱中部的網格尺寸為20mm，其他部位網格劃分較為稀疏，base節點網格劃分見圖4（a），加強型節點因翼緣擴大處的端部部位，不滿足映射網格劃分，因其solidl85單元雖為六面體單元，但可退化為四面體單元，可采用過渡金字塔單元形式，用四面體單元連接擴大翼緣過渡處，rf節點網格劃分見圖4（b）。

1.4接觸問題

研究模型的柱翼緣與端板、螺栓桿與孔壁之間、端板和螺栓帽之間、柱與螺帽之間存在著4對接觸，通過在ansys中定義“接觸對”的方式考慮模型中構件之間的相互接觸關系，

1.5邊界條件及加載制度

對柱上下端施加固接約束，對梁柱腹板中心面施加對稱荷載，節點模擬時的荷載施加順序結合工程實際進行，首先施加螺栓預緊力，然后在梁端施加位移約束，梁端位移值為位移荷載，分別以單調遞增和循環往復兩種方式加載，單調遞增荷載加載至節點極限位移，當節點構件的mises應力值達到極限抗拉強度時構件破壞，即為極限荷載，循環往復荷載加載以每級往復兩次，例：0、-30、0、30、0、-30、0、30、0（mm），每級荷載增量30mm的方式加載，參考單調加載得到的極限位移值，來控制往復加載的等級數目，以base節點為例的邊界條件與荷載加載方式見圖5.循環荷載加載的等級參數見表2。

2有限元模擬結果

2.1破壞模式

由圖6（a）可知：basel的端板較薄，端板變形較大，變形處端板與柱分離，端板受力嚴重屈曲，端板變形可釋放一部分變形，由圖6（b）可知：basel和base2比較，端板給螺栓的撬力較大，構件因為螺栓達到材料的極限抗拉強度而破壞，螺栓mise應力見圖6（b），由圖6（c）可知：base2在端板與梁端處應力集中明顯，mise應力在梁端焊縫處達到抗拉強度而破壞，由圖6（d）、圖6（e）可知：rfl端板變形較大，變形處端板與柱分離，端板發現明顯屈曲，梁端處塑性鉸外移，外移至梁擴翼緣端部，并且在與梁翼緣連接的端板處應力集中效果仍比較明顯，但基本能保證梁與端板協同工作，由圖6（f）可知：rf2在構件破壞時，端板有較大剛度和強度，并未產生應力集中，且梁柱節點塑性鉸外移至梁擴翼緣端部，節點破壞時，擴翼緣端部mise應力值達到材料的強度極限，但節點核心域承載能力良好，保證了“強節點弱構件”的抗震性能。

根據base節點與rf節點破壞形式分析可知：保證適當的端板厚度，能得到較高的節點強度和承載能力，節點形式加強不只提高節點的承載性能，還改變了節點的破壞特點，節點破壞處遠離節點核心域，節點的承載能力比構件承載能力要強，將端板外伸式節點由傳統的半剛性節點破壞特征變為剛性節點的破壞特征。

2.2單調加載的分析結果

由圖7（a）可知：適當的增加端板厚度能提升節點承載力，其中base節點尤為明顯，rf2較rn因為端板厚度增加，承載能力略微提升，通過加強構件的荷載位移圖與常規構件的荷載位移圖比較，rf2節點的極限位移為262mm，base2節點極限位移203mm，節點形式的改進能顯著提升節點的變形性能，rf節點較base節點有更好的節點承載力，由圖7（b）、圖8分析：在EC3規范下對于連接節點進行剛度評價和分析，EC3規范對節點劃分了3種類型：剛性節點、半剛性節點、鉸接節點，并提出了按節點剛度分類的量化規定，節點的初始剛度為Sj，ini，本文框架為無支撐框架，對于無支撐框架而言Sj，ini;≥25EIb/Lb=3.05×104kN·m/rad時，可以判定為剛性節點;Sj，ini;≤0.5EIb/Lb=0.61×103kN·m/rad時，可以判定為鉸接節點，根據有限元分析結果可以得到rf2的節點剛度Sj.ini：5.83×104kN·m/rad，因此可知，通過EC3規范判定，在保證端板厚度的情況下，加強型節點為剛性節點。

2.3循環加載的分析結果

由圖9（a）可知：對于base節點，端板厚度是梁柱節點抗震耗能性能的決定因素，basel的滯回曲線呈現出反“s”形，相對basel節點，base2節點滯回曲線更為飽滿，能滿足半剛性節點有一定耗能性能的要求，由圖9（b）可知：對于rf節點，端板厚度的增大，在較小的往復荷載作用下影響效果并不明顯，但端板厚度適當的增大，除了能提高節點核心域的強度以外，還能略微提升節點變形能力，在rf破壞形式中對比可知，對于rf節點，端板厚度的增大，能改變由于端板較薄而導致的應力集中的現象，端板厚度的增大，對于承載能力的影響比耗能性能的影響更大。

3抗震性能分析

根據有限元計算結果整理出梁柱外伸端板節點（base）和新型鋼結構裝配式節點（rf）進行對比，比較雙方的抗震性能指標，分析計算得到結果如表3所示。

由表3可知：新型節點承載能力對比相同端板厚度情況下，rf2較base2增長了26.67%，rfl較basel增長了47.05%，可見在相同端板厚度情況，新型節點的承載能力有顯著提升，新型節點延性系數對比相同端板厚度情況下，rf2較base2增長了29.17%，rfl較basel增長了87.29%，表明新型節點變形性能更優，節點剛度更好，為裝配式的剛性梁柱節點，表格數據表明：新型節點較傳統節點有更好的承載能力、節點剛度、耗能性能。

4結論

通過有限元模擬分析，對比傳統外伸端板式節點與新型裝配式加強節點在單調荷載和低周往復荷載作用下的受力性能，可以得出以下結論：

1）端板式節點的承載能力、剛度、耗能性能隨著端板厚度增大而增大，保證端板的厚度是端板式節點設計的前提。

2）新型節點的破壞模式有別于傳統節點，塑性鉸外移至擴翼緣端部，符合“強節點弱構件”的抗震理念。

3）由EC3歐洲規范下連接類別的規定和節點的破壞模式可知，新型節點為剛性節點。

4）在端板厚度選用適當的情況下，端板式節點的滯回曲線飽滿，而新型節點具有相對較優越的抗震性能和良好的耗能能力。