基于有限元的角鋼加勁節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究

吳鵬飛

(蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

0 前 言

傳統(tǒng)的鋼填板螺栓連接在受力時(shí)存在嚴(yán)重的滑移現(xiàn)象，具有轉(zhuǎn)動(dòng)剛度小、抗側(cè)能力差等不足，故在設(shè)計(jì)時(shí)常忽略節(jié)點(diǎn)有限的抗彎能力假定為鉸接[1]。目前，國(guó)內(nèi)就改良螺栓連接節(jié)點(diǎn)的受力性能做了大量的研究，主要包括提出預(yù)應(yīng)力方套管連接、植筋連接等新型的連接節(jié)點(diǎn)和自攻螺釘加強(qiáng)、貼層加強(qiáng)以及正交膠合等技術(shù)來改善木材受力性能、延緩木材開裂這兩個(gè)方面[2]。本文基于傳統(tǒng)鋼填板螺栓連接節(jié)點(diǎn)，提出一種通過角鋼加強(qiáng)的填板連接方式，以期減小連接的滑移，并提高節(jié)點(diǎn)的剛度。

1 試件設(shè)計(jì)

為了便于對(duì)比，本文主要構(gòu)件包括梁柱構(gòu)件、鋼填板和螺栓的材料性能以及主要尺寸參照參考文獻(xiàn)[3]取值。其中膠合木為水平膠合方式加工的北美云杉-松-冷杉，螺栓為8.8級(jí)普通螺栓，鋼填板為9.5 mm厚度的Q390鋼板。試件的幾何尺寸如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)幾何尺寸示意

其中膠合木柱長(zhǎng)1 000 mm，截面尺寸為272 mm×305 mm；膠合木梁長(zhǎng)830 mm，界面尺寸為130 mm×305 mm；梁和柱之間留5 mm的間隙，用于安裝鋼板的梁,開槽寬度為12 mm，鋼板與梁槽的端部距離為15 mm，與柱槽上下端的距離為5 mm；角鋼厚度為6 mm，同樣采用Q390鋼材，通過焊接的方式與鋼填板連接。

2 有限元模型的建立

2.1 部件的建立

由于有限元法的局限性，本文在創(chuàng)建部件時(shí)假設(shè)鋼板與螺栓之間孔隙為零，以使模型便于收斂。梁柱中的螺栓孔比螺栓的直徑大2 mm。模型中將螺桿和螺帽合并為一個(gè)部件。

2.2 材性的定義

本模型中涉及木材、螺栓、鋼板以及角鋼四個(gè)部件的材料屬性的設(shè)置。

2.2.1 木材材性

木材是典型的各向異性材料，其在不同方向的強(qiáng)度和模量均大不相同，一般順紋的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)大于橫紋。在模擬時(shí)，對(duì)于木材的彈性段的材性用工程常數(shù)來表示，而對(duì)于木材的塑性特性如果考慮三個(gè)方向不同的屈服應(yīng)力，則很難同時(shí)滿足連續(xù)性方程和封閉屈服面準(zhǔn)則[3]，故木材的塑性特性常假設(shè)為各向同性。由于木構(gòu)件在受力時(shí)主要為膠合木橫紋受力，故塑性段按照橫紋抗壓強(qiáng)度設(shè)置。本文中木材的橫紋受壓強(qiáng)度為6.76 MPa，橫紋抗拉強(qiáng)度為2.117 MPa，木材彈性段力學(xué)性能見表1。

表1 木材的彈性參數(shù)

2.2.2 鋼材本構(gòu)

本模型中鋼材和螺栓都定義為理想彈塑性，鋼材的屈服強(qiáng)度為390 MPa，螺栓的屈服強(qiáng)度為780 MPa，彈性模量均為210 GPa，泊松比為0.3。

2.3 單元類型和網(wǎng)格的劃分

本模型中構(gòu)件存在大變形，且構(gòu)件之間的接觸面較多，故本模型采用C3D8R實(shí)體單元使模型易于收斂。為了能夠在提高計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)降低運(yùn)算的成本，在構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)局部加密布種，局部尺寸為20，節(jié)點(diǎn)外區(qū)域?qū)儆谘芯康拇我獏^(qū)域，種子尺寸為50。

2.4 接觸的設(shè)置

本模型中的接觸可分為三類：鋼材和鋼材之間的接觸、鋼材和木材之間的接觸以及梁柱間的木材和木材的接觸。接觸屬性中的法向接觸均按照“硬接觸”設(shè)置；鋼材和鋼材間的切向摩擦系數(shù)設(shè)為0.15，鋼材和木材間的切向摩擦系數(shù)取0.4，木材和木材間的切向摩擦系數(shù)取0.5。由于各個(gè)構(gòu)件之間存在間隙，且節(jié)點(diǎn)在加載過程中變形較大，故需要將幾何非線性開關(guān)打開。

2.5 邊界條件和加載

通過設(shè)置參考點(diǎn)來與相應(yīng)的面耦合的方式施加相應(yīng)的邊界條件，柱的兩端設(shè)置為固支，限制連接件面外位移。螺栓力的施加分為三個(gè)分析步，在第一個(gè)分析步施加5 N的力，第二個(gè)分析步施加到指定荷載，在第三個(gè)分析步需要固定螺栓的長(zhǎng)度。低周加載通過梁側(cè)面的耦合點(diǎn)施加，采用CUREE加載制度，但由于有限元法不能夠準(zhǔn)確模擬出木材橫紋在進(jìn)入塑性段后的二次硬化效應(yīng)，故在本文中每級(jí)僅只加載主循環(huán)。

2.6 模型的驗(yàn)證

本文通過對(duì)參考文獻(xiàn)中的第三組鋼填板節(jié)點(diǎn)(螺栓直徑16 mm、螺栓邊距70 mm)進(jìn)行單調(diào)加載來驗(yàn)證有限元模型的可行性。由圖2可知，試驗(yàn)與模擬結(jié)果基本一致，計(jì)算結(jié)果能夠較好地反映節(jié)點(diǎn)的剛度和承載力等力學(xué)性能，該模型具有可行性。由于木材為多孔的非均勻材料，在實(shí)際加載過程中木材在進(jìn)入塑性后橫紋在壓力作用下會(huì)發(fā)生孔隙擠密從而發(fā)生二次應(yīng)變硬化，故數(shù)值模擬的荷載較試驗(yàn)值偏小。

圖2 單調(diào)加載對(duì)比

3 有限元結(jié)果分析

3.1 滯回曲線分析

本文通過有限元軟件分別對(duì)傳統(tǒng)鋼填板螺栓連接節(jié)點(diǎn)和采用角鋼加勁的鋼填板連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬靜力加載，并對(duì)兩種連接方式的相關(guān)力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比分析，兩種節(jié)點(diǎn)的滯回曲線如圖3所示。

圖3 兩種節(jié)點(diǎn)低周加載曲線

通過對(duì)計(jì)算所得的odb文件進(jìn)行逐幀分析可知，傳統(tǒng)鋼填板連接節(jié)點(diǎn)和角鋼加勁節(jié)點(diǎn)分別在節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角達(dá)到8.43×10-2rad以及4.82×10-2rad時(shí)，膠合木梁側(cè)面沿螺栓連線上均達(dá)到木材橫紋的抗拉強(qiáng)度，膠合木梁側(cè)面出現(xiàn)木材橫紋劈裂破壞。

由圖3滯回曲線可以看出：①通過角鋼加勁的節(jié)點(diǎn)在加載初期也存在一定的滑移，但由于角鋼的存在，節(jié)點(diǎn)的滑移較傳統(tǒng)鋼填板連接節(jié)點(diǎn)大大減小；②角鋼加勁節(jié)點(diǎn)的剛度明顯較傳統(tǒng)鋼填板節(jié)點(diǎn)大。

3.2 主要力學(xué)性能指標(biāo)

本文采用Y&K法來確定節(jié)點(diǎn)的初始剛度以及屈服荷載，初始剛度k采用極限荷載的40%和10%處荷載所對(duì)應(yīng)的割線剛度表示[4]；屈服荷載My為根據(jù)90%極限荷載和40%極限荷載所對(duì)應(yīng)的割線斜率相平行切線與初始剛度的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的彎矩值；通過破壞荷載對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角θu和屈服荷載對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角θy的比值來表示節(jié)點(diǎn)的變形能力，即μ=θu/θy

由表2可以看出，由于角鋼的存在，限制了節(jié)點(diǎn)的位移，角鋼加勁節(jié)點(diǎn)的初始剛度明顯大于傳統(tǒng)鋼填板連接；角鋼加勁節(jié)點(diǎn)的破壞荷載較鋼填板節(jié)點(diǎn)略有提高；角鋼加勁節(jié)點(diǎn)破壞較早，但兩種連接方式的延性系數(shù)相差不大。

表2 兩種節(jié)點(diǎn)的力學(xué)參數(shù)

3.3 耗能能力

本文通過對(duì)有限元模擬的結(jié)果進(jìn)行處理分析，得到兩種節(jié)點(diǎn)的滯回耗能(滯回環(huán)的面積)如圖4所示，分析各節(jié)點(diǎn)的耗能能力。

圖4 耗能規(guī)律曲線

由圖4可知：兩種節(jié)點(diǎn)均具有良好的耗能能力，但在相同加載級(jí)時(shí)，角鋼加勁節(jié)點(diǎn)的耗能更好。

4 結(jié) 論

1)角鋼加勁鋼填板螺栓連接節(jié)點(diǎn)能夠顯著降低節(jié)點(diǎn)的初始滑移，增加節(jié)點(diǎn)的初始剛度。

2)在相同加載級(jí)時(shí)，角鋼加勁節(jié)點(diǎn)的耗能能力優(yōu)于傳統(tǒng)鋼填板節(jié)點(diǎn)。

3)由于角鋼的加勁作用，節(jié)點(diǎn)的受力進(jìn)程加快，節(jié)點(diǎn)破壞較早，但加勁節(jié)點(diǎn)的破壞仍為延性破壞。

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