半剛性純鋼節點有限元模型的建立及分析

李景旺

1 概述

在鋼結構的設計中，鋼框架橫梁與柱的連接起著在兩種構件之間傳遞彎矩和剪力(剪力與軸力的轉換)的作用，是鋼結構框架的主要組成部分[1]，因此，構件連接節點是高層鋼結構安全的重要保證。鋼結構的結構變形性能主要決定于節點的連接，其連接性能直接影響著整個框架在荷載作用下的整體性能，是鋼框架設計中要注意的關鍵部位之一[2]。

梁與柱連接的剛度對框架性能的影響比較顯著，而即便是新修訂的鋼結構規范也只是將框架的梁柱節點處理為理想的剛接或鉸接。習慣上，只要連接對轉動約束達到理想剛接(即框架發生變形時梁柱之間沒有相對轉動，其夾角保持不變)的90%以上，即可視為剛接;而把在外力作用下，梁、柱軸線夾角的改變量達到理想鉸接(梁與柱之間不能傳遞彎矩，并且用鉸連接在一起的梁與柱將獨立的發生轉動)的80%以上的連接視為鉸接。但實際工程當中很難做到上述的兩種情況，大部分都是介于兩個極端情況之間的半剛性連接[3]。很顯然，按照完全的剛接或者鉸接則使設計偏于保守或不安全。所以，研究鋼結構框架節點的真實變形能力，使設計安全、合理、經濟，具有極其重要的意義。本文采用有限元軟件ANSYS對齊平端板連接的梁柱純鋼節點進行建模，并利用其結果得到彎矩與轉角的關系曲線，為以后分析節點的應力、變形能力等提供基礎。

2 幾何模型

齊平端板半剛性純鋼節點的幾何尺寸見表1，其構造示意圖見圖1。

表1 梁、柱構件截面尺寸 mm

3 ANSYS有限元模型建立的關鍵

3.1 單元的選取

鑒于純鋼節點組成材料的性質，梁、柱、端板及螺栓等鋼構件用Solid45單元模擬。Solid45單元用于建立三維結構實體模型，單元有8個節點，每個節點有3個自由度，單元具有塑性、蠕變、膨脹、應力剛化、大變形、大應變等功能，十分適合模擬鋼材的性能;端板與柱翼緣、螺栓側壁與螺栓孔之間的接觸對用Targe170和Conta173單元模擬，采用三維接觸單元Targe170和Conta173模擬接觸之間的相互作用時需設定摩擦系數，螺母與柱翼緣、螺帽與端板及端板與柱翼緣均借助高強螺栓的預拉力而相互擠壓接觸，它們之間的摩擦系數為0.35;螺栓桿與孔壁在正常工作中是不發生接觸的，此處按接觸處理，但取摩擦系數為 0;用Prets179單元模擬高強螺栓的預拉力。

3.2 求解及收斂控制

在ANSYS中對結構非線性問題的求解方法主要有兩種，全牛頓—拉普森平衡迭代法和弧長法。本文采用牛頓—拉普森法(NR法)常用來求解非線性問題，其收斂速度較快，是一種常用的計算方法。ANSYS提供了一系列命令來增強問題的收斂性，如自適應下降、線性搜索、自動載荷步、二等分等方法。如果問題仍然不能收斂，那么程序將繼續計算下一個載荷子步或者終止。

3.3 邊界約束條件

在結構分析中，正對稱邊界條件是指在對稱平面外的平移和對稱平面內的轉動被設置為零;反對稱邊界條件是指對稱平面內的平動和對稱平面外的轉動被設置為零。如果合理的利用對稱邊界條件，一次可以減少將近一半的單元數目，如果能夠利用兩次，則可以將單元數目減少到原來的1/4，計算時間也會大大減少。對稱邊界條件的利用不會降低計算的準確性，是符合力學簡化模型的。考慮本文分析對象結構、荷載的對稱性，本文采用1/4的有限元模型進行模擬。有限元模型的約束條件和荷載按照實際情況輸入，柱頂施加 x，z方向約束;柱底輸入 x，y，z三個方向的約束;柱腹板邊緣輸入關于y—z平面的對稱約束。邊界約束情況如圖2所示。

3.4 網格劃分

選擇“體掃略”的方法劃分網格，能夠自行控制網格的粗細程度，各個單元均為計算效率高、相對容易收斂的六面體，重點部位將網格細化，做到了模型單元形狀無奇異、數量少。

4 模型的建立與結果分析

利用有限元軟件建立的齊平端板連接半剛性純鋼節點模型如圖3所示，從ANSYS有限元數值分析的后處理器，提取相關數據得到齊平端板連接半剛性純鋼節點的彎矩與轉角的關系曲線如圖4所示。

5 結語

建立了齊平端板連接半剛性純鋼節點的ANSYS有限元模型，并通過有限元分析的數據結果得到了彎矩與轉角的關系曲線，進一步研究將集中在半剛性節點的變形能力及其影響因素等方面。

[1] 曹 靖.半剛性連接鋼框架節點受力性能試驗研究[D].合肥:合肥工業大學碩士學位論文，2005:1-3.

[2] 楊偉軍，田俊杰.角鋼連接半剛性梁柱節點的受力性能分析[J].長沙交通學院學報，2003(20):37-40.

[3] 陳惠發.鋼框架穩定設計[M].上海:世界圖書出版公司，1999.

[4] 楊 穎，張振中，楊德軒.鋼結構節點設計中的小技巧[J].山西建筑，2008，34(26):111-112.