常用H型鋼次梁端部節點力學性能研究

吳賢明

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063)

1 國內外研究現狀

國內外對于半剛性接連節點問題的研究，目前主要是在梁柱節點上。國內的研究基本集中在H型鋼柱-H型鋼梁連接節點，方鋼管柱-H型鋼梁連接節點這兩種主要的半剛性梁 柱節點的靜、動力性能方面，對于其它梁柱連接形式的節點幾乎沒有涉及，主次梁之間連接節點的研究尚未見報道；而在鋼結構設計中，連接主梁與次梁，同時起著傳遞彎矩和剪力作用的梁端節點[1]，是鋼結構框架的主要組成部分。國內比較有代表性的研究為樓國彪的高強度螺栓端板連接的研究現狀和進展，同時還對節點的承載力計算與相關設計方法進行了簡化處理。同時，他也進行了相關的有限元分析，構建了彎矩-轉角曲線的數學表達模型，總結了端板連接抗火性能研究的現狀[2-3]； 此外，李黎明提出了一種新的節點連接方式，稱為外套管式梁柱節點連接[4-6]，參照EC3中的相關內容，提出了運用組件法來計算此種連接節點的初始剛度。

國外的研究工作開始較早，其中有代表性的成果為1976年，Frye和Morris通過建立多項式模型，成功地計算了幾種連接節點的相關力學特性[7]；1982年，Jones等人采用樣條曲線對連接節點的彎矩-轉角(M·θ)曲線關系作了擬合，但需要很大的計算數據量來作為支持，而且擬合過程相當繁瑣[8]；1983年，Colson和Louveau首次提出了冪函數模型，該模型的建立基于3個相關參數[9]；隨后，Kishi和Chen對Colson和Louveau提出的冪函數模型做了一定的改進工作，提出了一種和冪函數模型相似的計算模型，大大減少了計算所需的數據量[10]。1986年，Lui和Chen提出了一個指數模型，該模型由多個參數所組成，為彎矩-轉角曲線的進一步擬合創造了新的途徑[11]。

雖然各個國家的科研工作者和學者均做了大量有關半剛性連接節點的實驗工作，但由于實驗數據的自身不足性，則需要通過運用必要的理論分析來進行補充和完善。目前通常的做法是，對特殊類型的節點采用有限元軟件進行建模和計算分析。

2 有限元模型驗證

2.1 試驗驗證

文獻[12]進行了腹板栓接主次梁節點的試驗研究，主次梁構件截面尺寸如表1所示，其試驗過程、節點構造及螺栓的設置等相關情況如圖1～圖2所示。為了驗證本文的建立有限元模型方法的可靠性與準確性，將對比和分析有限元軟件的計算結果與文獻[12]的試驗結果。

表1 主次梁構件截面尺寸 mm

圖1 試驗節點構造細部圖

圖2 試驗節點構造側面圖

2.2 ANSYS有限元模型的建立及分析結果

(1)考慮本研究的腹板栓接主次梁半剛性節點的結構特性，以及所施加荷載的對稱性特征，本研究采用1/2的有限元模型來對整個主次梁節點和相連的次梁結構進行模擬和計算分析；同時，按照實際工程情況設置模型的約束條件。

(2)考慮結構自身是由純鋼節點組成，因此，其中的梁、連接板及螺栓等鋼構件均采用SOLID185單元進行模擬；采用螺栓桿側壁與螺栓孔之間的接觸，對采用TARGE170 和CONTA174單元進行模擬。

(3)由于本研究對象的有限元幾何模型建立方式是“體”生成，因此選擇“體掃略”來對其進行網格劃分。“體掃略”不僅能夠自行控制網格劃分時的粗細程度，而且每個計算單元相對容易收斂，計算效率較高。

(4)有限元模型中所選取的單元及其相應的特性參數，主次梁構件的尺寸和材料參數均按照上述具體試驗數據確定。建立的符合真實受力狀態的主次梁連接節點模型如圖3～圖4所示。利用ANSYS有限元分析軟件的后處理功能提取有關數據，分別計算整個分析過程中的彎矩值和轉角，該彎矩-轉角關系曲線，如圖5所示。

圖3 模型整體圖

圖4 節點細部圖

2.3 ANSYS有限元計算結果與試驗結果對比

將ANSYS有限元計算分析得到的彎矩-轉角關系曲線同試驗統計作出彎矩-轉角關系曲線進行對比，如圖6所示。

圖5 節點的(M·θ) 曲線圖

圖6 有限元分析結果與試驗結果對比圖

由圖6可以看出，有限元計算和分析結果與試驗作出的統計結果吻合較好。

綜上，本研究所建立的有限元模型方法，能夠較好地模擬腹板栓接主次梁節點的工作性能，其計算結果可靠。

3 工程中典型次梁不同截面力學性能分析

主梁截面采用500×200×8×10mm，次梁截面采用200×100×3×3mm，具體尺寸如表2所示，相應的建模及計算結果如圖7～圖8所示。

表2 主次梁構件截面尺寸 mm

圖7 整體模型變形正面圖

圖8 節點細部變形圖

選取其中典型的荷載子步進行分析，ANSYS有限元分析計算結果如表3所示。

表3 相對轉角-彎矩值計算表

圖9 200×100×3×3mm節點M-θ曲線圖

本研究繪制其(M·θ)曲線如圖9所示，橫坐標代表螺栓部分的相對轉角θ(°)，縱坐標代表節點連接部分所承擔的彎矩值M(kN·m)。

節點轉動剛度(割線剛度)統計表如表4所示。

表4 節點轉動剛度統計表

節點彎矩值及傳遞百分比統計表如表5所示。

表5 節點彎矩傳遞值及百分比統計表

H型截面次梁200×100×3×3mm的線剛度i=EI/l，其值為定值314 N·mm，線剛度的一半i/2為157 N·mm。由表5可知，此時節點的初始轉動剛度Kz，穩定時其值為450 N·mm左右，彎矩傳遞百分比最終維持在9.71%。

同理，不改變主梁截面尺寸，次梁截面分別取為200×150×6.0×8.0mm、300×150×4.5×6.0mm、350×100×6.0×8.0mm、400×150×4.5×8.0mm、400×200×6.0×8.0mm、400×200×7.0×11.0mm。將得出的各自彎矩傳遞百分比繪出的M-θ曲線對比如圖10所示。

圖10 常用截面形式節點的M-θ曲線對比圖

4 結論

從上述幾種常用H型截面次梁的計算和分析，并結合圖10(M·θ曲線對比圖)可知：

(1)常用腹板栓接主次梁連接節點自身的轉動剛度，并不是固定不變的。 節點初始轉動剛度與次梁線剛度之間的相對大小，會導致節點連接部分最終分擔的彎矩有所不同。

(2)當主次梁節點的轉動剛度比次梁線剛度小很多時，該連接節點仍可按理想鉸接考慮。但是，如果兩者的剛度差距不是特別明顯，則必須嚴格考慮腹板栓接主次梁節點的半剛性特征。

(3)通過比較可以發現，常用腹板栓接半剛性連接的節點部分，其所傳遞的彎矩百分比值基本穩定在10%左右。此結論為設計單位提供了相當有價值的參考，即在進行此類半剛性節點設計時，很有必要考慮這10%彎矩傳遞比。這樣設計出來的腹板栓接主次梁節點不僅安全合理，而且經濟適用。