循環(huán)荷載作用下梁柱端板連接的有限元分析

陳國興 姜華 張鑫

1 有限元模型的建立

1.1 基本資料

本文為模擬端板連接節(jié)點的受力性能，模擬文獻[1]中的試驗共設(shè)計了7組節(jié)點模型，設(shè)計主要考慮了端板厚度和螺栓直徑兩個參數(shù)的變化。本文節(jié)點設(shè)計的原則是保證梁柱構(gòu)件和螺栓不先于節(jié)點破壞，只讓其發(fā)生端板破壞，梁柱截面尺寸分別為H300 mm×200 mm×8 mm×12 mm和H300 mm×250 mm×8 mm×12 mm。節(jié)點螺栓采用四排兩列總數(shù)為8個10.9級摩擦型高強度螺栓。

1.2 單元的選取

在建立實體模型時，本文中梁柱、角鋼、螺栓頭以及螺帽均采用8節(jié)點實體單元Solid45模擬。連接節(jié)點的模型比較復(fù)雜，需要考慮接觸問題。本文利用文獻[5]中的接觸問題為柔體—柔體的面—面接觸，在結(jié)構(gòu)相接觸的地方采用接觸單元Conta173和目標(biāo)單元Targe170來模擬。取一個面被當(dāng)作“目標(biāo)面”，一個面被當(dāng)作“接觸面”，一個目標(biāo)單元和一個接觸單元形成一個“接觸對”。通過共用一個實常數(shù)的目標(biāo)面和一個接觸面來識別接觸對。本文中接觸問題包括:端板與柱翼緣的接觸，端板與螺帽的接觸，螺桿和螺栓孔邊緣的接觸。由于要在螺栓上施加預(yù)緊力，所以在建模的過程中還需要用到預(yù)應(yīng)力單元Pret179。

1.3 定義材料屬性

本文中的端板連接節(jié)點的有限元分析中涉及到的材料所定義的材料應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系有三種，Q345鋼材，焊縫材料E50型焊條以及 10.9級摩擦型高強螺栓，彈性描述:彈性模量為2.0E5 MPa，泊松比 μ=0.3，材料屬性見表1。

1.4 加載制度

2 ANSYS模擬的試驗結(jié)果及分析

2.1 Base試件受力分析

在小幅值周期荷載作用下，節(jié)點表示出良好的彈性性能，處于彈性工作階段，彈性階段荷載卸載至零時，殘余位移只有1 mm～3 mm，滯回環(huán)面積極小，隨著荷載幅值的加大，當(dāng) Δ＞16 mm時，節(jié)點的彈性性能越來越不明顯，卸載后基本上不能回到原來的位置，塑性變形加大，特別荷載步加大后，發(fā)生了明顯的塑性變形。隨荷載進一步加大，滯回曲線所包圍的面積逐漸增大;試件剛度退化，表明結(jié)構(gòu)進入非線性工作階段，由于初始剛度很大，初始加載時滯回環(huán)所包圍面積較小。

表1 連接節(jié)點材料屬性

2.2 滯回曲線關(guān)系

該系列各試件都在位移達2Δy后進入3Δy時破壞，各試件的破壞與Base試件相似。隨著端板厚度的增加，試件在循環(huán)過程中沒有明顯的捏縮現(xiàn)象，但破壞時試件的極限承載力隨著端板厚度的提高而有明顯提高。試件的滯回性能，D1試件由于端板非常薄，端板剛度相對較小，節(jié)點的極限承載力由外伸端板屈服條件決定，螺栓拉力沒能得到充分的發(fā)揮，端板發(fā)生屈曲，過早屈服，各次循環(huán)中強度、剛度都有明顯降低，劣化嚴重，隨著端板厚度的不斷增加，循環(huán)次數(shù)不斷增加，但當(dāng)端板增到一定程度后滯回曲線沒有明顯變化。螺栓系列試件滯回曲線見圖1。

由圖1可以看出，在小幅值周期荷載作用下，節(jié)點表示出良好的彈性性能，處于彈性工作階段，彈性階段荷載卸載至零時，殘余位移只有2 mm～5 mm，滯回環(huán)面積極小，隨著荷載幅值的加大，當(dāng) Δ＞20 mm時，節(jié)點的彈性性能越來越不明顯，卸載后基本上不能回到原來的位置，塑性變形加大，特別荷載步加大后，發(fā)生了明顯的塑性變形。L1由于當(dāng)螺栓直徑較小時，對端板的約束不夠致使端板過早屈曲變形，螺栓被拉斷發(fā)生脆性破壞。位移在40 mm處滯回曲線出現(xiàn)了明顯的下降段。而L2與L3比較接近，由此可見當(dāng)螺栓在滿足構(gòu)造要求，滿足承載力要求時，在增大螺栓直徑對抗震性能的提高意義不大，承載力有所增加。

2.3 骨架曲線

由圖2a)骨架曲線可以看出，隨著端板厚度的增加系列試件骨架曲線出現(xiàn)明顯上升，承載能力隨之增長，但隨著端板厚度增加骨架曲線上升的幅度逐漸減小，特別是當(dāng)端板厚度增加到22 cm以后，骨架曲線變得非常相似。這主要是因為當(dāng)端板厚度很小時，它的初始轉(zhuǎn)動剛度比較小，當(dāng)梁端發(fā)生較小位移時端板過早發(fā)生屈曲變形而使試件破壞，而此時螺栓拉力還沒有充分發(fā)揮作用;但當(dāng)端板達到一定厚度后滿足了試件構(gòu)造要求，此時端板和螺栓協(xié)同作用，再增加端板厚度效果就不再顯著。

由圖2b)可以知道，隨著螺栓直徑的增加系列試件骨架曲線略有上升，承載增長不很明顯，特別是當(dāng)螺栓直徑增加到24 cm以后，骨架曲線變得非常相似。這主要是因為當(dāng)螺栓直徑很小時，它的初始轉(zhuǎn)動剛度比較小，當(dāng)梁端發(fā)生以較小位移時端板過早發(fā)生屈曲變形而使試件破壞，因為螺栓對端板的約束不夠，導(dǎo)致端板間的摩擦沒有充分發(fā)揮;但當(dāng)螺栓的直徑達到一定長度后滿足了試件構(gòu)造要求，此時端板和螺栓協(xié)同作用，再增加螺栓直徑效果就不再顯著。

3 結(jié)語

1)從多個系列的計算結(jié)果看，端板連接節(jié)點具有較強的耗能能力，塑性變形主要來自端板、節(jié)點域柱翼緣、柱腹板以及螺栓的伸長。

2)隨著端板厚度的增加，節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度和承載力都隨著端板厚度的增加而有所提高，端板每增加2 mm，節(jié)點承載力增加約2%。

3)通過單獨改變螺栓直徑來增大梁的承載能力，使梁柱連接的延性降低，塑性轉(zhuǎn)角減小，承載能力有一些提高。

4)柱節(jié)點區(qū)域設(shè)置了橫向加勁肋，明顯的改善了節(jié)點區(qū)域的強度和剛度，延緩柱翼緣的變形和外凸，同時限制了節(jié)點域作用的范圍，提高了節(jié)點的剛度，增加了延性，提高承載能力。

5)為了保證節(jié)點的延性，建議采用大螺栓，中等厚度的端板。

[1] 施 剛，石永久，王元清，等.多層鋼框架半剛性端板連接的試驗研究[J].清華大學(xué)學(xué)報，2004(3):393-395.

[2] 劉曉輝，劉增科，韓 毅.半剛性端板連接節(jié)點有限元模擬分析[J].山西建筑，2008，34(1):78-79.

[3] 顧 強.鋼結(jié)構(gòu)滯回性能及抗震設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[4] 于 茹，栗增欣，鄭 歡.梁柱端板螺栓連接的研究[J].廣東建材，2008(3):10-11.

[5] 郭 兵.鋼框架梁柱端板連接在循環(huán)荷載作用下的破壞機理及抗震設(shè)計對策[D].西安:西安建筑科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2002:11.