外伸端板連接節點抗連續倒塌性能研究

鹿 偉 劉 娜

(山東科技大學，山東 青島 266590)

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M=P/L。

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外伸端板連接節點抗連續倒塌性能研究

鹿 偉 劉 娜

(山東科技大學，山東 青島 266590)

基于ANSYS有限元分析軟件，建立了外伸端板連接節點模型，分析了半剛性節點在連續倒塌中的力學性能，基于該模型進行了外伸端板連接節點抗連續倒塌能力影響因素的參數分析，為相關設計提供參考。

連續倒塌，外伸端板連接，半剛性節點，有限元分析

0 引言

建筑結構的連續倒塌研究越來越受到各界的關注。已有的研究多針對整體框架在關鍵柱失效后的整體響應，而少有針對節點的詳細分析。承載力高，變形能力好的節點能夠提高結構耗能能力，并充分發揮其懸鏈線抗力機制。因此，研究失效節點的力學性能對于結構抗連續倒塌研究具有十分重要的價值。

在傳統的分析方法中，通常假定梁柱節點為完全剛接或理想鉸接。然而在實際工程中，梁柱節點幾乎全部表現出半剛性性質，因此對半剛性節點抗連續倒塌能力的研究十分必要。外伸端板連接節點是一種常見的節點形式，且基于不同的構造措施，能夠滿足不同剛度要求，應用廣泛。故選取外伸端板連接節點為研究對象。

本文運用ANSYS有限元分析軟件，采用實體單元模擬外伸端板連接節點，研究柱失效后上方節點的力學行為及不同參數對節點抗連續倒塌能力的影響，為此類節點的抗連續倒塌設計方法的研究提供參考。

1 有限元模型

1.1 模型參數和網格劃分

本文根據JGJ 99—98高層民用建筑鋼結構技術規程選取一組外伸端板連接節點模型，模型主要尺寸見表1。采用Solid45模擬鋼組件。分別考慮了端板與螺桿、螺帽、柱翼緣及柱翼緣與螺桿、螺帽接觸面，采用Contact173和Target170單元定義接觸對。節點網格劃分采用映射網格劃分，單元均為規則的8節點六面體單元，對應力集中區域進行局部網格細化。

表1 模型結構尺寸表

1.2 邊界條件和加載制度

有限元模型選取框架相鄰梁柱反彎點之間的十字形純鋼節點，模型見圖1。

為研究不同受力狀態下節點邊界條件，分兩階段進行加載。第一階段模擬節點在純彎狀態下的力學行為，梁端約束豎向位移，水平方向自由以保證梁軸力為零，釋放柱端豎向自由。第二階段模擬節點的拉彎受力狀態，首先在柱頂施加豎向力直至節點受彎屈服，然后維持柱頂位移，在梁端施加拉力，直至節點受拉破壞。

節點加載簡圖見圖2。

2 有限元結果分析

2.1 節點彎矩—轉角關系

為研究節點在底層柱失效后的傳力機理和破壞模式，本文分別對節點的純彎和拉彎性能進行了模擬。

定義節點轉角為：

其中，u1和u2分別為鋼梁上下翼緣水平方向位移；hb和tfb分別為鋼梁高度和梁翼緣厚度。

定義節點彎矩為：

M=P/L。

其中，P為柱頂豎向力；L為鋼梁長度。

基于上述計算假定，通過有限元分析，得到了BASE試件彎矩轉角關系曲線如圖3所示，與歐洲規范建議的曲線形式基本吻合(見圖4)。

2.2 參數分析

為研究連接性能對節點抗連續倒塌能力的影響規律，在前文基礎上進行了參數分析。研究指出，由于節點域柱腹板加勁肋的存在，節點承載力主要由螺栓、端板尺寸控制。因此，本文基于BASE模型，以端板厚度、螺栓規格作為研究參數，對多組模型進行有限元分析，模型參數見表2。

2.2.1 端板厚度的影響

表2 節點參數分析試件信息匯總

在外伸端板連接組合節點中，端板是重要的傳力構件，其厚度對連接的力學性能，節點的破壞模式有顯著影響。

圖5為純彎狀態下節點的彎矩—轉角關系對比圖，分析結果表明，端板厚度的變化基本不改變節點初始剛度，但對其受彎承載力影響較大。端板厚度的變化對節點破壞模式影響顯著。當柱翼緣厚度小于端板厚度時，節點破壞由柱翼緣控制；當柱翼緣厚度大于端板厚度時，端板首先受彎破壞。故節點的設計計算中應區分不同的節點形式。端板厚度的合理取值能夠避免結構柱端先于梁端發生破壞。

圖6和圖7分別為拉彎狀態下節點的彎矩轉角關系和拉力—位移關系，可以看出，端板厚度的不同對節點剛度及變形能力影響顯著。而對于節點抗拉承載力的影響同抗彎承載力類似，因此端板厚度同柱翼緣厚度的取值會顯著影響節點在連續倒塌過程中的破壞機理，在工程實際中應予以考慮。

2.2.2 螺栓規格的影響

螺栓規格對節點力學性能的影響見圖8～圖10，可以看出：在不同參數影響下節點力學性能基本呈線性強化特征，各曲線在彈性段重合，承載力及彈性轉角差別不大。當螺栓強度較高，以端板及柱翼緣板段破壞為主；反之，螺栓先于板段破壞，螺栓受拉變形顯著。

對比圖7和圖10還可發現，當螺栓強度相較于端板更弱時，節點承載力取決于螺栓強度，此時節點屈服彎矩—轉角關系下降明顯。而端板較薄時，端板屈服后螺栓仍能承擔較大荷載，故在節點設計中應盡量避免螺栓太弱的情況。

3 結語

本文建立有限元模型，分析了節點在純彎和拉彎狀態下的力學性能，得出以下結論:

1)端板對于提高節點變形能力有明顯的作用。且節點強度隨著端板厚度的增加有明顯提高；螺栓規格對節點剛度影響不明顯，但會改變節點破壞模式，對節點承載力影響較大。端板厚度和柱翼緣厚度的關系對節點破壞模式，承載力計算影響十分明顯。應根據工程實際合理考慮。

2)本文選取的建模方法能夠較準確的模擬端板連接節點性能，在連續倒塌工況下的力學性能較為準確，可以為相關研究提供參考。

[1]高 山.組合梁平面鋼框架抗連續倒塌性能研究.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

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[3]CEN:prEN1993-1-8.Eurocode3:Design of Steel Structures:Part 1.8 Design of joints.

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[5]石永久，施 剛，王元清.鋼結構半剛性端板連接彎矩—轉角曲線簡化計算方法.土木工程學報，2006,39(3):19-23.

[6]顧 強.鋼結構滯回性能及抗震設計.北京：中國建筑工業出版社，2009.

Study on anti-continuous-collapsible performance of extended end-plate connection joints

Lu Wei Liu Na

(ShandongUniversityofScience&Technology,Qingdao266590,China)

Based on ANSYS finite element software, the paper establishes extended end-plate connection joint model, analyzes mechanical performance of semi-rigid joint in continuous collapsible, analyzes factors influencing continuous collapsible of extended end-plate connection joints, which has provided some guidance for relevant design.

continuous collapsible, extended end-plate connection, semi-rigid joint connection, finite element analysis

1009-6825(2015)18-0027-02

2015-04-13

鹿 偉(1990- )，男，在讀碩士

TU352

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