半剛性純鋼節(jié)點(diǎn)有限元模型的建立及分析

李景旺

1 概述

在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，鋼框架橫梁與柱的連接起著在兩種構(gòu)件之間傳遞彎矩和剪力(剪力與軸力的轉(zhuǎn)換)的作用，是鋼結(jié)構(gòu)框架的主要組成部分[1]，因此，構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)是高層鋼結(jié)構(gòu)安全的重要保證。鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變形性能主要決定于節(jié)點(diǎn)的連接，其連接性能直接影響著整個(gè)框架在荷載作用下的整體性能，是鋼框架設(shè)計(jì)中要注意的關(guān)鍵部位之一[2]。

梁與柱連接的剛度對(duì)框架性能的影響比較顯著，而即便是新修訂的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范也只是將框架的梁柱節(jié)點(diǎn)處理為理想的剛接或鉸接。習(xí)慣上，只要連接對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)約束達(dá)到理想剛接(即框架發(fā)生變形時(shí)梁柱之間沒有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dá)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(dú)立的發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng))的80%以上的連接視為鉸接。但實(shí)際工程當(dāng)中很難做到上述的兩種情況，大部分都是介于兩個(gè)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(shè)計(jì)偏于保守或不安全。所以，研究鋼結(jié)構(gòu)框架節(jié)點(diǎn)的真實(shí)變形能力，使設(shè)計(jì)安全、合理、經(jīng)濟(jì)，具有極其重要的意義。本文采用有限元軟件ANSYS對(duì)齊平端板連接的梁柱純鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，并利用其結(jié)果得到彎矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，為以后分析節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力、變形能力等提供基礎(chǔ)。

2 幾何模型

齊平端板半剛性純鋼節(jié)點(diǎn)的幾何尺寸見表1，其構(gòu)造示意圖見圖1。

表1 梁、柱構(gòu)件截面尺寸 mm

3 ANSYS有限元模型建立的關(guān)鍵

3.1 單元的選取

鑒于純鋼節(jié)點(diǎn)組成材料的性質(zhì)，梁、柱、端板及螺栓等鋼構(gòu)件用Solid45單元模擬。Solid45單元用于建立三維結(jié)構(gòu)實(shí)體模型，單元有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力剛化、大變形、大應(yīng)變等功能，十分適合模擬鋼材的性能;端板與柱翼緣、螺栓側(cè)壁與螺栓孔之間的接觸對(duì)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(shí)需設(shè)定摩擦系數(shù)，螺母與柱翼緣、螺帽與端板及端板與柱翼緣均借助高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力而相互擠壓接觸，它們之間的摩擦系數(shù)為0.35;螺栓桿與孔壁在正常工作中是不發(fā)生接觸的，此處按接觸處理，但取摩擦系數(shù)為 0;用Prets179單元模擬高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力。

3.2 求解及收斂控制

在ANSYS中對(duì)結(jié)構(gòu)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(jì)算方法。ANSYS提供了一系列命令來增強(qiáng)問題的收斂性，如自適應(yīng)下降、線性搜索、自動(dòng)載荷步、二等分等方法。如果問題仍然不能收斂，那么程序?qū)⒗^續(xù)計(jì)算下一個(gè)載荷子步或者終止。

3.3 邊界約束條件

在結(jié)構(gòu)分析中，正對(duì)稱邊界條件是指在對(duì)稱平面外的平移和對(duì)稱平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)被設(shè)置為零;反對(duì)稱邊界條件是指對(duì)稱平面內(nèi)的平動(dòng)和對(duì)稱平面外的轉(zhuǎn)動(dòng)被設(shè)置為零。如果合理的利用對(duì)稱邊界條件，一次可以減少將近一半的單元數(shù)目，如果能夠利用兩次，則可以將單元數(shù)目減少到原來的1/4，計(jì)算時(shí)間也會(huì)大大減少。對(duì)稱邊界條件的利用不會(huì)降低計(jì)算的準(zhǔn)確性，是符合力學(xué)簡化模型的。考慮本文分析對(duì)象結(jié)構(gòu)、荷載的對(duì)稱性，本文采用1/4的有限元模型進(jìn)行模擬。有限元模型的約束條件和荷載按照實(shí)際情況輸入，柱頂施加 x，z方向約束;柱底輸入 x，y，z三個(gè)方向的約束;柱腹板邊緣輸入關(guān)于y—z平面的對(duì)稱約束。邊界約束情況如圖2所示。

3.4 網(wǎng)格劃分

選擇“體掃略”的方法劃分網(wǎng)格，能夠自行控制網(wǎng)格的粗細(xì)程度，各個(gè)單元均為計(jì)算效率高、相對(duì)容易收斂的六面體，重點(diǎn)部位將網(wǎng)格細(xì)化，做到了模型單元形狀無奇異、數(shù)量少。

4 模型的建立與結(jié)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(jié)點(diǎn)模型如圖3所示，從ANSYS有限元數(shù)值分析的后處理器，提取相關(guān)數(shù)據(jù)得到齊平端板連接半剛性純鋼節(jié)點(diǎn)的彎矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線如圖4所示。

5 結(jié)語

建立了齊平端板連接半剛性純鋼節(jié)點(diǎn)的ANSYS有限元模型，并通過有限元分析的數(shù)據(jù)結(jié)果得到了彎矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，進(jìn)一步研究將集中在半剛性節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)受力性能試驗(yàn)研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005:1-3.

[2] 楊偉軍，田俊杰.角鋼連接半剛性梁柱節(jié)點(diǎn)的受力性能分析[J].長沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2003(20):37-40.

[3] 陳惠發(fā).鋼框架穩(wěn)定設(shè)計(jì)[M].上海:世界圖書出版公司，1999.

[4] 楊 穎，張振中，楊德軒.鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中的小技巧[J].山西建筑，2008，34(26):111-112.