部分端板連接梁柱組合節(jié)點有限元分析

劉洪波,趙文軍,魏振興,霍振興,柳艷杰,孫 靜,呂興群

(1.黑龍江大學 建筑工程學院,哈爾濱 150080;2.中國石油東北煉化工程有限公司 吉林設計院,吉林 132002;3.吉林省建筑設計院有限責任公司,長春 130011)

0 引 言

端板連接的鋼框架梁柱組合節(jié)點,以其構造簡單、受力性能好等優(yōu)點在實際工程中得到廣泛應用。部分端板連接的鋼框架梁柱節(jié)點可以作為端板連接的特例,其構造更為簡單。傳統(tǒng)上一直以鉸接的理想假定對其進行剛度及承載力分析,而實際上這種理想假定是很難實現(xiàn)的,特別是考慮樓板對其影響時,剛度和承載力都會大幅提高,其力學分析模型應該是一種半剛性連接形式[1-2]。

本文將在前人對于半剛性節(jié)點分析的基礎上,針對部分端板連接組合節(jié)點的特殊形式,著重考慮樓板參與工作對節(jié)點性能的影響,并探討各影響因素對于這一節(jié)點形式的影響規(guī)律。

1 有限元模型建立

部分端板連接組合節(jié)點采用三維實體模型建立。使用ANSYS軟件進行有限元分析時,鋼構件(梁、柱、端板及螺栓)用SOLID45單元模擬;樓板用SOLID65單元模擬,采用整體式模型考慮鋼筋性能,并設定混凝土受拉開裂后退出工作;混凝土和鋼材采用雙線性隨動強化 (BKIN)模型,為加強模型計算收斂,鋼材達到屈服強度后考慮5/ 1 000倍彈性模量的應力強化,混凝土采用多線性等向強化(MISO)模型;端板與柱翼緣、螺栓側壁與螺栓孔以及樓板與鋼梁之間的接觸采用TARGE170和CONTA173單元模擬;此外,采用PRETS179單元模擬高強螺栓的預拉力。

為了驗證本文有限元模型建立方法的可應用性,建立文獻 [3]所介紹試驗的有限元模型,并與其結果進行比較。圖1為有限元計算與試驗所得的彎矩轉角關系曲線,由圖1可見,本文所建模型可以很好地模擬部分端板連接組合節(jié)點的性能。

圖1 有限元與實驗數(shù)據(jù)對比Fig.1 Comparison between measured and computed

2 參數(shù)分析

2.1 標準試件參數(shù)

進行ANSYS有限元分析,需要變換構件參數(shù),選取一個變換參數(shù)的標準模型試件可減少計算,有利于分析對比。本文選取 “標準試件”各構件幾何及材料特征見表1,幾何尺寸示意圖見圖2。本文暫不研究剪力栓釘作用,不對栓釘作特殊規(guī)定,其特性與試驗一致,按全部強度設計。根據(jù)《歐洲規(guī)范》,樓板寬度取3倍鋼梁高度。

對于節(jié)點性能的分析以上述試件為基準,變換適當參數(shù)進行。為此,將上述節(jié)點定義為 “標準試件”或稱為 “1號試件”,在下面各組分析中分別以 “A1、B1、C1……”表示。

表1 “標準試件”特性參數(shù)Table 1 Properties of members

圖2 “標準試件”構造特征Fig.2 Details of members

2.2 樓板配筋率的影響

針對節(jié)點配筋率的研究,變換不同配筋率設計A組共計4個試件,A1～A4對應配筋率分別為0.008 6、0.012 8、0.017 8、0.023 7。

A組試件彎矩轉角關系見圖3(a),從圖中可以看出,節(jié)點的初始剛度、彈性抗彎承載力和塑性抗彎承載力均隨著鋼筋直徑的增加而增加。

從A4與A1的比較可知,配筋率提高175.6%,初始剛度提高59.4%,強化剛度提高24.2%,彈性彎矩提高153.0%,塑性彎矩提高104.0%?？梢?配筋率的變化對于強度和剛度的影響都很顯著,是提高強度和剛度的有效辦法。雖然在配筋率的影響下,節(jié)點的強化剛度有提高,但由于基數(shù)小,其對節(jié)點性能的影響很小。

2.3 鋼筋屈服強度的影響

針對于節(jié)點鋼筋種類的研究,變換不同鋼筋種類設計B組共計3個試件,B1～B3分別對應屈服強度235、335、400 MPa。

B組試件彎矩轉角關系見圖3(b),由圖 3 (b)可見,節(jié)點的彈性抗彎承載力和塑性抗彎承載力均隨鋼筋強度提高而增加。但節(jié)點的剛度變化不大。

從B3與B1的比較可知,鋼筋強度提高70.2%,彈性彎矩提高57.5%,塑性彎矩提高47.8%?？梢?鋼筋強度的變化對于節(jié)點強度的影響顯著,是提高節(jié)點強度的有效辦法。

2.4 樓板混凝土強度等級的影響

作為樓板性能的又一重要影響因素,混凝土作用不可忽視。選取建筑樓板中常用的4種混凝土類型設計C組4個試件,C1～C4分別對應C20、C25、C30、C35。4個試件節(jié)點彎矩轉角關系見圖3(c),由圖3(c)可見,混凝土的強度等級對節(jié)點強度和剛度的影響都不大。這主要是因為混凝土受拉會在早期退出工作。

2.5 梁柱屈服強度的影響

梁柱鋼材的屈服強度,對中和軸的位置,節(jié)點的破壞模式都有影響。選取建筑鋼材中常用的4種強度設計D組4個試件,D1～D4分別對應Q345、Q235、Q390、Q420。

4個試件節(jié)點彎矩轉角關系見圖3(d),由圖3(d)可見,隨著鋼材屈服強度的提高,節(jié)點的剛度沒有較明顯的變化,節(jié)點的強度略有增長。

從D4與D2的比較可知,鋼材的屈服強度提高78.7%,塑性彎矩僅提高8.0%?？梢?鋼材的屈服強度對節(jié)點承載力影響不大。這主要是由于節(jié)點的破壞模式主要是鋼筋和螺栓區(qū)域的屈服,梁柱鋼材強度的提高只能使螺栓區(qū)域的屈服進一步發(fā)展,對承載力的影響顯然會小。這樣,在設計中,破壞模式一般不依賴于梁柱強度,Q235鋼材已經(jīng)能夠基本滿足節(jié)點承載力需要。

2.6 鋼梁截面高度的影響

鋼梁的截面高度,對中和軸的位置會有顯著影響,進而影響到節(jié)點的破壞模式。在型鋼梁HM300×150基礎上,變換梁高設計了E組4個試件,E1～E4分別對應梁高300、250、350、400 mm。

元人作劇，曲中用事，每不拘時代先后。馬東籬《三醉岳陽樓》，賦呂純陽事也?！炯纳荨壳骸斑@的是燒豬佛印待東坡，抵多少駒驢魏野逢潘閬”。俗子見之，有不訾以為傳唐人用宋事耶？畫家謂王摩詰以牡丹、芙蓉、蓮花同畫一景，畫《袁安高臥圖》有雪里芭蕉，此不可易與人道也。[18](P147-148)

4個試件節(jié)點彎矩轉角關系見圖3(e),由圖3(e)可見,隨著鋼梁的截面高度的增加,節(jié)點的初始剛度、彈性抗彎承載力和塑性抗彎承載力均隨之增加。

從E4與E2的比較可知,鋼梁的截面高度提高60.0%,初始剛度提高129.7%,彈性彎矩提高34.9%,塑性彎矩提高45.4%?？梢?鋼梁的截面高度的變化對于強度和剛度的影響都很顯著,是提高節(jié)點各方面性能的很有效辦法。

2.7 端板厚度的影響

梁柱連接端板厚度,對螺栓受拉區(qū)域破壞模式有顯著影響,進而影響到節(jié)點的承載力。變換端板厚度設計了F組4個試件,F1～F4分別對應短板厚度為12、10、15、20 mm。

4個試件節(jié)點彎矩轉角關系見圖3(f),由圖3 (f)可見,隨著端板厚度的增加,節(jié)點的初始剛度基本不變、彈性抗彎承載力和塑性抗彎承載力的增加幅度也很小。

從F4與 F2的比較可知,端板厚度提高100.0%,初始剛度和彈性彎矩基本保持不變,塑性彎矩也只提高了16.9%。端板厚度的變化對于強度和剛度的影響都很小,只是判定端板是否破壞的判定依據(jù)。一般說來,端板厚度大于柱翼緣厚度時,節(jié)點破壞時可保證端板不被破壞。隨著端板厚度的增加,其塑性彎矩增加幅度變小,就是因為端板厚度已經(jīng)超過了柱翼緣的厚度,破壞模式由端板的破壞轉為柱翼緣的破壞,這在設計中是不利的[4]。

2.8 端板高度(螺栓孔間距)的影響

梁柱連接端板高度,一定程度上決定著螺栓孔的間距,對螺栓受拉區(qū)域破壞模式及中和軸的位置都有顯著影響,進而影響到節(jié)點的性能。變換端板高度設計了G組4個試件,G1～G4分別對應端板高度175、150、200、250 mm。

4個試件節(jié)點彎矩轉角關系見圖3(g),由圖3(g)中可見,隨著端板高度的增加,節(jié)點的初始剛度、彈性抗彎承載力變化不大,塑性抗彎承載力隨之增加。

圖3 彎矩轉角關系曲線Fig.3 Moment versus rotation

3 結 論

本文利用ANSYS有限元軟件對部分端板連接鋼框架梁柱組合節(jié)點進行參數(shù)計算,得到以下幾點結論:

1)樓板的配筋率、鋼筋強度、鋼梁高度、端板高度對塑性抗彎承載力的影響很大,配筋率、鋼筋強度的增大提高了受拉區(qū)的抗拉能力,鋼梁高度、端板高度的增大使得轉動力臂增大。

2)樓板的的配筋率、鋼梁高度對初始轉動剛度的影響較大,配筋率增大提高了受拉區(qū)的抗拉剛度,鋼梁高度的增大使得轉動力矩增大。

3)混凝土對強度的影響很小,這也驗證了以往理論分析中不考慮混凝土對強度影響的正確性。

[1]Seung-Eock Kim,Se-Hyu Choi.Practical second-order inelastic analysis for three-dimensional steel frames subjected to distributed load[J].Thin-Walled Structures, 2005,43:135-160.

[2]Ali Davaran,Narges Easazadeh Far.An inelastic model for low cycle fatigue prediction in steel braces[J]. Journal of Constructional Steel Research,2009,65: 523-530.

[3]Puhali R.,Iztok Smotlak.and Zandonini R.Semi-rigid composite action:experimental analysis and a suitable model[J].J.Construct.Steel Research,1990,(15): 121-151.

[4]Y.Xiao.Composite connections in steel and concrete-Ⅱ.Moment capacity of end plate beam to column connections[J].Journal of Constructional Steel Research, 1996,37(1):63-90.