鋼結構技術(shù)論文
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
摘 要：通過(guò)采用有限元軟件對薄壁方鋼管梁柱加腋節點(diǎn)進(jìn)行數值模擬，分析該節點(diǎn)的性能以及該節點(diǎn)的破壞模式。結果表明：該節點(diǎn)屬于半剛性節點(diǎn)，不能簡(jiǎn)單的視為剛性連接或鉸接；并且加勁肋應力變化較大，設計時(shí)應具有足夠的厚度；該節點(diǎn)的最終破壞是由于方鋼管梁的局部屈曲，符合“強節點(diǎn)弱桿件”的抗震設計原則。
關(guān)鍵詞：薄壁方鋼管；加腋節點(diǎn)；半剛性連接；數值模擬
1前 言
薄壁輕鋼結構作為一種新型的鋼結構體系，由于薄壁輕鋼結構具有整體性好、高次超靜定的結構體系，具有多道抗震防線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，并且符合我國的環(huán)保、節能、節水、住宅產(chǎn)業(yè)化政策，將成為我國建筑發(fā)展的新趨勢[1]。在我國薄壁輕鋼結構房屋體系（圖1）當中，其輕鋼骨架梁柱構件通常采用冷彎薄壁方鋼管、矩形鋼管、C型鋼、L型鋼、槽型鋼，然而在這些截面形式當中，以方鋼管、矩形鋼管的截面形式較優(yōu)越。這類(lèi)截面材料繞中和軸均勻分布，使得截面具有良好的抗壓和抗彎扭承載能力以及較大的剛度[2]，從而降低結構的用鋼量。然而在這類(lèi)輕鋼骨架之間通常采用直接焊接方式（圖2），采用焊接方式連接，密閉性好，板件凈截面面積不會(huì )減小，但在這種節點(diǎn)反復焊接過(guò)程當中，對節點(diǎn)部分產(chǎn)生很明顯的初始應力，節點(diǎn)脆性明顯增
圖1 輕鋼結構骨架體系（薄壁方鋼管梁柱加腋節點(diǎn)）
加，降低節點(diǎn)的延性，然而節點(diǎn)是構成鋼框架不可
缺少的部分，并且歷次地震，如1985年墨西哥城地震、1994年美國諾斯里齊地震、1995年日本阪神地震，大部分輕鋼建筑都以節點(diǎn)的破壞而導致建筑的倒塌，因此對這類(lèi)輕鋼結構的節點(diǎn)連接應受到工程界的廣泛重視[3-4]。為此本文提出在方鋼管梁的上下翼緣增設加勁肋，以改善節點(diǎn)的強度和剛度。建立三維空間節點(diǎn)有限元模型進(jìn)行分析，探討加腋后節點(diǎn)的性能及其破壞模式。
2.模型建立
2.1幾何模型
圖3為本文研究節點(diǎn)的三維視圖，其中方鋼管柱的截面尺寸為120×120×3mm，高度為1200mm，兩個(gè)方鋼管柱之間間距為600mm；方鋼管梁1、2截面尺寸為100×100×2mm，其中方鋼管梁1長(cháng)度700mm，方鋼管梁2長(cháng)度為480mm；加勁板尺寸為120×50×3mm，加勁肋尺寸為40×3mm。
圖2現場(chǎng)焊接節點(diǎn)（薄壁方鋼管梁柱加腋節點(diǎn)）
(1-方鋼管柱，2-方鋼管梁1,3-方鋼管梁2,
4-加勁板，5-加勁肋，6-方鋼管柱底板)
圖3 加腋節點(diǎn)三維視圖
2.2 材料模型
方鋼管梁柱的材料特性見(jiàn)圖5，加勁肋與梁柱所用材料相同，故取相同值。采用多線(xiàn)性材料模型，彈性模量E=161249.7MPa，泊松比ν=0.3。模型采用的屈服準則為Von Mises屈服準則,并且認為材料是各向同性強化的。
2.3有限元模型
采用ANSYS軟件對圖3所示的連接節點(diǎn)建立有限元計算模型。由于方鋼管梁柱的長(cháng)度及寬度與其壁厚的比值較大，故采用每個(gè)節點(diǎn)具有6個(gè)自由度的殼單元shell181，該單元具有應力剛化及大變形功能，具有強大的非線(xiàn)性功能；增設的加勁肋采用四面體單元solid92，每個(gè)節點(diǎn)具有三個(gè)自由度，該單元支持塑性、蠕動(dòng)、膨脹、應力鋼化、大變形和大張力；方鋼管柱上下底板采用solid45單元，并且假定其為剛性；在方鋼管梁1端部增加端板，其中線(xiàn)距離方鋼管柱翼緣距離為650mm，假定其為剛性。對于體單元與殼單元的公共邊界采用共用節點(diǎn)，建立該節點(diǎn)的有限元模型如圖4所示，并對節點(diǎn)域處的單元網(wǎng)格劃分加密。方鋼管柱底部為固端上部為鉸接的邊界條件。
圖4 加腋節點(diǎn)有限元模型（薄壁方鋼管梁柱加腋節點(diǎn)）
圖5材料本構
3.計算結果分析
3.1荷載位移曲線(xiàn)
圖6 荷載位移曲線(xiàn)（薄壁方鋼管梁柱加腋節點(diǎn)）
圖6為該節點(diǎn)的荷載位移曲線(xiàn)，該節點(diǎn)在開(kāi)始處于彈性階段，荷載與位移呈線(xiàn)性增加，當荷載達到13.23kN時(shí)，節點(diǎn)開(kāi)始屈服，對應的屈服位移為7.4mm；隨即進(jìn)入屈服階段，達到節點(diǎn)的極限承載力為25.53kN，按全截面塑性發(fā)展，可計算其極限承載力為26.33kN，略大于有限元計算結果。該節點(diǎn)的彎矩轉角曲線(xiàn)與荷載位移曲線(xiàn)變化相似，同時(shí)可計算其初始轉動(dòng)剛度為847.5kN•m。
根據文獻5當中連接的初始轉動(dòng)剛度Ki標準定義為：
，則為剛接；
，則為鉸接； 
，則為半剛性連接；
E為鋼材彈性模量，Ib為梁截面慣性矩，Lb為梁跨度，kb=8（有支撐框架）或kb=25（無(wú)支撐框架）。
可計算得：
即屬于半剛性連接。
當以連接的受彎承載力為標準定義：該節點(diǎn)的塑性彎矩為 
；粱端的塑性轉角： 
。其中取 
，
，可得其相對彎矩轉角曲線(xiàn)如圖7所示，可見(jiàn)該節點(diǎn)的相對彎矩轉角曲線(xiàn)位于半剛性連接區域類(lèi)，并且與剛性連接或鉸接連接均相差較大，因此在設計時(shí)不能簡(jiǎn)單的將該類(lèi)節點(diǎn)視為剛接或鉸接連接。
圖7 相對彎矩轉角曲線(xiàn)
3.2 應力分析
圖8（彈性階段）及圖9（極限荷載作用時(shí)）為節點(diǎn)沿方鋼管梁1長(cháng)度方向各截面的應力發(fā)展趨勢，1.0H、1.5H、2.0H、4.0H（梁形心與柱翼緣交點(diǎn)為坐標原點(diǎn)，X軸、Y軸和Z軸分別為梁寬方向、梁高方向、梁長(cháng)方向，H為梁截面高度）。
從圖8（a）可以看出梁的彎曲應力大致成三角形分布，剪應力大致呈拋物線(xiàn)分布，并且各截面處梁腹板的剪應力大致相等，均符合經(jīng)典的梁理論。Mises應力分布大致也成拋物線(xiàn)型分布，但隨著(zhù)距離方鋼管柱表面距離的減小，其應力變化更大。
（a）正應力分布
（b）剪應力分布
（c）Misses應力分布
圖8 沿梁長(cháng)度方向各截面的應力分布圖
從圖9（a）可以看出，正應力的分布與彈性節點(diǎn)變化相似，而剪應力與彈性階段的明顯不同，其原因主要是方鋼管梁在進(jìn)入屈服階段過(guò)程中，剪應力發(fā)生了內力重分布。在X=1.0H時(shí)，腹板中部的Mises略大于其余部位，表面在繼續承受荷載作用時(shí)，該部位率先發(fā)生屈曲。
圖10為極限荷載作用下方鋼管柱的Mises應力分布，從中可以看出，方鋼管柱腹板應力大部分小于屈服應力，表明增設加勁肋能夠明顯改善在節點(diǎn)域柱腹板的應力，防止柱發(fā)生屈曲；圖11為加勁肋與加勁板的Mises應力分布，在加勁肋的角部產(chǎn)生應力集中現象，局部應力已明顯超過(guò)屈服應力，局部接近極限應力值，可見(jiàn)在設計時(shí)三角形加勁肋應具有足夠的厚度，以防止應力集中而被拉裂。
（a）正應力分布
（b）剪應力分布
（c）Misses應力分布
圖9 沿梁長(cháng)度方向各截面的應力分布圖
圖10 方鋼管柱的Mises應力分布
圖11 三角形加勁肋的Mises應力分布
3.3破壞模式
節點(diǎn)在彈性工作狀態(tài)下，荷載位移曲線(xiàn)為基本直線(xiàn)段，荷載隨位移的增大而增長(cháng)很快，此時(shí)連接剛度大，在節點(diǎn)進(jìn)入屈服階段之前，加勁肋的應力較大，此處也是最早出現塑性區，隨著(zhù)荷載的增加，節點(diǎn)整體荷載位移曲線(xiàn)開(kāi)始彎曲。隨著(zhù)荷載的增大，角鋼的塑性區不斷擴大，剛度下降，加載點(diǎn)位移增加較快，但此時(shí)角鋼并沒(méi)出現較明顯的屈曲。達到極限荷載后，加勁肋開(kāi)始出現屈曲，不過(guò)此時(shí)節點(diǎn)域處方鋼管梁應力增長(cháng)較快，大部分進(jìn)入塑性，同時(shí)腹板出現向外鼓曲，下翼緣向內凹陷（圖12），其變形速度較加勁肋快許多，而此時(shí)方鋼管柱的應力幾乎沒(méi)變，可見(jiàn)該節點(diǎn)符合“強柱弱梁”的設計原則。
圖12節點(diǎn)破壞模式
4.結 論
1）通過(guò)對該節點(diǎn)的荷載位移曲線(xiàn)以及節點(diǎn)的初始轉動(dòng)剛度大小的研究表明，該節點(diǎn)既不能簡(jiǎn)化成剛性連接，更不能視為鉸接，而屬于梁柱半剛性連接；
2）在外荷載作用下，增設加勁肋能明顯改善節點(diǎn)域柱腹板的應力，并且節點(diǎn)的最終破壞模式是由于方鋼管梁的局部屈曲，符合“強節點(diǎn)弱桿件”的設計原則。加勁肋的應力較大，設計時(shí)應具有足夠的厚度，以滿(mǎn)足“強節點(diǎn)弱桿件”的抗震設計原則。
參考文獻
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(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院)
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