半剛性連接框架結構變形分析

桂 韜

由于半剛性連接節點考慮了內力重分配,能充分發揮材料強度,因此使設計更為經濟合理[1,2]。鋼框架中采用半剛性連接通常比剛接費用少,施工簡便,與鉸接相比,能有效減小梁的高度,增加建筑凈空。美國、歐洲、英國、澳大利亞等國的鋼結構設計規范中都已對半剛性節點有明確的分類,允許設計者在結構鋼框架設計中明確的考慮連接特性。但由于半剛性節點工作特性的復雜性,我國規范允許設計人員在有明確的節點彎矩—轉角關系時采用半剛性設計,但沒有具體的規定。在空間鋼框架研究方面,建立了考慮各種影響因素的有限元分析,但還存在不同的缺陷,有待進一步驗證。對于空間鋼框架的研究,國內做了許多工作[3,4,6]。變形一般是半剛性框架設計的控制因素,本文對半剛性框架進行有限元模擬。

1 半剛性框架有限元模型

本文選擇了兩層三跨、四層三跨及六層三跨組合鋼框架進行分析。假定梁—柱節點為半剛性連接節點,半剛性節點用非線性彈簧表示。采用通用有限元分析軟件ANSYS對兩層三跨、四層三跨及六層三跨組合框架進行了分析,框架柱采用HW300×300×10×15,框架梁采用HW200×200×12×8。柱距為9 000,跨度為6 000,層高為3 000 mm。六層框架結構有限元模型見圖1。

2 半剛性框架單元選取及加載

在有限元分析中,梁柱均采用Beam188梁單元。Beam188三維有限應變梁單元是建立在Timoshenko梁理論基礎上的空間梁單元,考慮桿件的剪切變形和應力硬化,能夠分析桿件的受彎、側移、扭轉問題,可用于一般長度或中等短粗梁的分析,是三維兩節點線型單元。梁柱節點均采用Combin14彈簧單元,此單元有徑向和扭轉的性能,可用于一維、二維、三維分析。有限元模型的加載采用靜力加載。材料采用Q235鋼。在考慮材料的非線性時,采用ANSYS多線性隨時強化選項,材料屈服遵從Von Mises屈服準則及相關流動法則。半剛性節點的初始轉動剛度選取,k=α EI/H,取α=1,2,4。I和 H分別為框架柱的剛度和長度。半剛性節點的彎矩轉角曲線,采用二折線模型。門式剛架柱距為6.0 m,作用于結構的荷載為屋蓋自重0.25 kN/mm2,基本雪壓 S0=0.4 kN/mm2,基本風壓 ω0=0.50 kN/mm2。

3 計算結果分析

對結構施加荷載,各框架彎矩圖見圖2(以六層三跨為例)。各框架側移如表1所示。

表1 各結構框架側移

根據GB 50017-2003鋼結構設計規范對側移的規定,層間位移限值為h/400,結構頂點位移為H/500。由于計算模型層高均為3 000 mm,因而層間相對位移限值[δ]=3 000/400=7.5 mm。結構一的總高度為6 000 mm,結構頂點位移限值[Δ]=6 000/500=12 mm;結構二的總高度為12 000 mm,結構頂點位移限值為[Δ]=12 000/500=24 mm;結構三的總高度為18 000 mm,結構頂點位移限值為[Δ]=18 000/500=36 mm。框架結構在所采用的節點剛度其水平位移均低于規范限值。

1)隨節點剛度增強,整個剛架結構的內力分布發生了較大變化,當剛度增大到一定程度,結構的內力變化趨于穩定。2)從表1可以看出,隨著半剛性節點初始轉動剛度的增加,樓層相對變形變小。隨著框架結構高度的增加,樓層位移的增幅較大。半剛性連接框架結構與剛性連接框架結構在水平荷載作用下的變形特征相似,樓層位移由下至上依次增加,層間相對位移由上至下依次增大。有限元模型計算結果表明節點剛度改變會引起空間鋼框架頂點側移發生變化,梁柱半剛性連接鋼框架具有較大的變形能力,隨著層數的增加這種影響更加明顯。3)層數對于半剛性連接的側移有較大影響。在相同層數的條件下,隨著連接剛度的降低,結構的樓層位移增幅較為明顯,層間位移角也相應增大。隨著節點轉動剛度的減小,邊柱所受的彎矩明顯增大,隨層數的增加,節點剛度對空間鋼框架位移和內力的影響更明顯。

4 結語

節點剛度對多層鋼框架的變形有很大影響。節點剛度的變化,造成結構內力分布的變化,因此應根據不同的連接剛性,來進行不同的結構設計。應通過參數分析,研究了不同剛度的變化對半剛性框架位移的影響,增強結構性能,降低工程成本。

[1]石文龍,葉志明,李國強.半剛性連接框架的試驗研究進展[J].四川建筑科學研究,2008,34(3):1-4.

[2]陳惠發.鋼框架穩定設計[M].周綏平,譯.上海:世界圖書出版社,1999.

[3]劉清平,王靜峰.梁柱半剛性連接組合鋼框架分析初探[J].河北建筑工程學院學報,2005,23(2):32-37.

[4]王曉東.半剛性連接空間鋼框架靜動力分析[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2006.

[5]高振梅,王衛國.框架結構異形柱設計探討[J].山西建筑,2009,35(23):62-64.

[6]王新武,李躍輝,張 偉.空間半剛性連接鋼框架有限元分析和研究[J].世界地震工程,2007,23(2):167-170.