T型焊接方鋼管節(jié)點(diǎn)在軸向循環(huán)荷載作用下滯回性能的有限元分析

摘要:為了研究焊接T型方鋼管節(jié)點(diǎn)的滯回性能，從而進(jìn)一步為研究方鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能打下基礎(chǔ)，對(duì)軸向往復(fù)荷載作用下T型方鋼管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元建模和分析。通過有限元分析結(jié)果發(fā)現(xiàn):焊接方鋼管節(jié)點(diǎn)的滯回曲線較為飽滿，表明該節(jié)點(diǎn)在承受地震等強(qiáng)動(dòng)力荷載作用下具有較好的耗能性。

關(guān)鍵詞:T型方鋼管節(jié)點(diǎn)滯回性能有限元分析耗能性

中圖分類號(hào):TU7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)03(a)-0129-02

1 引言

焊接鋼管結(jié)構(gòu)今年來在工程中的應(yīng)用得到迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍包括房屋建筑、橋梁、體育場和塔桅結(jié)構(gòu)等。在這些結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)部位是鋼管結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，在設(shè)計(jì)中尤其要引起注意。我國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中對(duì)管節(jié)點(diǎn)的靜力設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的計(jì)算公式，但是對(duì)節(jié)點(diǎn)的抗震性能則研究相對(duì)較少。近幾年全球地震頻發(fā)，我國是一個(gè)多震國家，處于地震區(qū)的結(jié)構(gòu)都可能受到地震荷載的作用。從08年四川汶川地震到10年海地地震再到玉樹地震，我們可以看到震后建筑物、構(gòu)筑物遭重創(chuàng)，或是嚴(yán)重傾斜，搖搖欲墜，大部分坍塌，導(dǎo)致一片廢墟景觀。國內(nèi)外地震頻發(fā)，使得結(jié)構(gòu)的抗震性能越來越受到重視。

由于管節(jié)點(diǎn)是鋼管結(jié)構(gòu)在地震作用下破壞發(fā)生的主要部位，只有了解其在低周期往復(fù)荷載作用下的滯回性能才能正確評(píng)價(jià)管結(jié)構(gòu)的抗震能力，因而近年來得到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，因此本文對(duì)焊接方鋼管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了軸向往復(fù)荷載作用下的有限元，以作為進(jìn)一步研究方鋼管結(jié)構(gòu)抗震性能的基礎(chǔ)。

2 焊接方鋼管節(jié)點(diǎn)的有限元模型

對(duì)于一個(gè)典型的矩形鋼管節(jié)點(diǎn)，其幾何構(gòu)造如圖1所示，其中各個(gè)參數(shù)的幾何意義如下:

b0-主管寬度;b1-支管寬度;h0-主管高度;h1-支管高度;t0-主管厚度;t1-支管厚度;l0-主管長度;l1-支管長度;當(dāng)主管和支管的寬度和高度相同時(shí)，即為方鋼管節(jié)點(diǎn)，這里統(tǒng)一用b0和b1表示主管和支管的寬度。

對(duì)往復(fù)荷載下的非線性分析，鋼管節(jié)點(diǎn)運(yùn)用ANSYS中提供的雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，彈性模量、屈服強(qiáng)度及切線模量采用Q235鋼材的數(shù)據(jù)，以及Mises屈服準(zhǔn)則和隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則，以兩條直線段描述材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

本文中模型使用了3D實(shí)體單元(20節(jié)點(diǎn)單元)。網(wǎng)格控制是對(duì)幾何圖素邊界劃分網(wǎng)格的大小和數(shù)目進(jìn)行設(shè)置，以得到理想的網(wǎng)格。網(wǎng)格的疏密對(duì)結(jié)構(gòu)的好壞影響很大，合理的網(wǎng)格密度是經(jīng)濟(jì)性和結(jié)果良好性的統(tǒng)一。在交匯處附近區(qū)域?qū)卧M(jìn)行細(xì)分，而在距節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的主管和支管上，應(yīng)力分布比較均勻，應(yīng)力值較小，為節(jié)省計(jì)算容量和時(shí)間，采用較大單元?jiǎng)澐帧Ｔ诖酥g，單元粗細(xì)采用了均勻過度，一個(gè)典型的方鋼管T節(jié)點(diǎn)的有限元網(wǎng)格如圖2所示。

3 T節(jié)點(diǎn)滯回性能有限元結(jié)果

在T節(jié)點(diǎn)滯回性能的有限元分析中，主管兩端施加鉸接條件，在支管端部施加逐漸增加的往返軸向位移。支管端部位移值所對(duì)應(yīng)施加的荷載大小可以通過支管端部所有節(jié)點(diǎn)軸向反力之和得到。在滯回分析中，支管端部施加的位移大小如圖3所示。

對(duì)于承受圖3所示的一個(gè)典型T型方鋼管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析。該節(jié)點(diǎn)的幾何尺寸為:b0=160mm，b1=100mm，t0=4mm，t1=4mm，l0=2000mm，l1=400mm。在圖3所示的循環(huán)荷載作用下，T節(jié)點(diǎn)滯回曲線如圖4所示。從圖4中可以看出:對(duì)于承受軸向反復(fù)荷載作用下的焊接方鋼管節(jié)點(diǎn)，其滯回曲線整體形狀飽滿，無捏攏現(xiàn)象，說明節(jié)點(diǎn)在破壞前可以消耗較多的外部能量，整體抗震性能優(yōu)越。

4 結(jié)語

通過對(duì)焊接T型方鋼管節(jié)點(diǎn)滯回性能的有限元分析，發(fā)現(xiàn)其滯回曲線飽滿，耗能性好，利于抗震。

參考文獻(xiàn)

[1]武振宇，陳鵬等，T型方鋼管節(jié)點(diǎn)滯回性能的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2008，41(12):8～13.

[2]高飛，朱宏平等，復(fù)合荷載作用下完全疊接管節(jié)點(diǎn)熱點(diǎn)應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(城市科學(xué)版)，2007，24(3):40～44.