加勁肋布置方式對剛接柱腳力學性能的影響

趙滇生，蔣 丹

ZHAO Diansheng，JIANG Dan

(浙江工業大學建筑工程學院，浙江 杭州310014)

柱腳是建筑結構的重要組成部分，具有固定位置和傳力的作用。合理設計柱腳節點以確保內力有效、可靠地傳遞給基礎。柱腳中的加勁肋可以增加底板剛性，增大其轉動約束能力［1］。本文主要運用有限元分析軟件ABAQUS 研究加勁板布置方式對外露式鋼結構柱腳力學性能的影響，從而討論合理的加勁肋布置方式，為實際工程設計提供參考。

1 有限元柱腳模型參數

1.1 柱腳構件的選取

本文H 型鋼柱的截面尺寸為H600 ×550 ×16×24，柱底板尺寸為950 mm×650 mm ×30 mm，加勁板高度為250 mm，厚度為15 mm，墊板的尺寸為80 mm× 80 mm × 20 mm，混凝土的長寬高取為1150 mm×850 mm×800 mm，錨栓采用M30。柱腳的組成構件鋼柱、錨栓、底板和墊板均選用低合金鋼Q345，鋼材的屈服強度標準值為fy=345 MPa，彈性模量Es=2.06×105MPa，泊松比為0.3［2］。基礎混凝土的強度等級為C30，其軸心抗壓強度標準值fck=20.1 MPa，彈性模量Ec=3.00 ×104MPa，泊松比為0.2。考慮柱反彎點位于層高中部，取柱段1.5 m。

1.2 構件模型參數

柱腳的鋼柱、加勁肋、錨栓、墊板和底板均采用C3D8I 進行模擬，采用雙線性隨動強化模型，混凝土選取C3D8R 進行模擬［3］，采用多線性等向強化模型，Von Mises 屈服準則［4］。本文建立模型M1、M2、M3和M4四個柱腳模型，其平面圖見圖1。

2 有限元柱腳模型結果對比分析

2.1 柱腳極限承載力的對比分析

各柱腳模型的M-θ 曲線對比圖見圖2。

圖1 模型構造及尺寸

圖2 模型M1～M4 的M-θ 曲線對比圖

由圖2 可以得出模型M1、M2、M3和M4的屈服彎矩和屈服轉角，見表1。

表1 模型M1～M4 的屈服彎矩和屈服轉角

不同加勁肋布置方式的各個柱腳的初始轉動剛度和抗彎極限承載力見表2。

表2 模型M1～M4 的抗彎極限承載力和初始轉動剛度

由表2 可得，柱腳的初始轉動剛度越大，其抗彎極限承載力就越大。由表2 中的數據可知，模型M2與模型M1相比，抗彎極限承載力由414.9 kN·m 增大到476.5 kN·m，提高了14. 8%，初始轉動剛度由156 MN·m·rad-1增大到172 MN·m·rad-1，提高了10.3%;模型M3與M1相比，抗彎極限承載力由414.9 kN·m增大到456.6 kN·m，提高了10.1%，初始轉動剛度由156 MN·m·rad-1增大到167 MN·m·rad-1，提高了7.1%;模型M4與M1相比，抗彎極限承載力由414.9 kN·m 增大到467.4 kN·m，提高了12.7%，初始 轉 動 剛 度 由 156 MN·m·rad-1增 大 到169 MN·m·rad-1，提高了8.3%。由此可見，按模型M2、M3和M4的方式布置加勁肋均可提高柱腳的抗彎極限承載力和初始轉動剛度，其中模型M2中加勁肋的布置對提高柱腳的抗彎極限承載能力效果最好。由模型M2、M3和M4的分析結果對比可知，底板區格數越多，柱腳抗彎極限承載力越大，由模型M3和M4的對比可知，當底板區格數相同，加勁肋劃分各區格大小越均勻，柱腳抗彎極限承載力越大。這是因為區格劃分得多而小，內力分布會更均勻，從而改善柱腳的受力性能。

2.2 構件截面轉角的對比分析

各個柱腳中柱子和底板在彎矩作用下均產生一定的轉角變形，其中在加勁肋高度處的鋼柱截面應力較大，因此研究鋼柱在此位置處的截面繞x 軸的轉角;而底板則是研究其中面繞x 軸的轉角。通過對各個柱腳模型中鋼柱和底板轉角的對比分析，得到變形較大的截面。構件中變形前為平面的截面，在變形后不再保持平面，因此取構件截面上兩對稱點在z 軸方向的位移來研究截面繞x 軸的轉角。

圖3 模型M1～M4 點的位移

圖3 中點a1、點a2、點b1和點b2在模型中的位置見圖1。從圖3 中可以看出，柱腳處于彈性變形階段時，隨著彎矩的增加，位移變化很小，當柱腳鋼材進入塑性階段時，位移隨時間變化很大，這與M-θ曲線關系一致。

根據圖3 可以得出各點沿z 方向的位移，見表3。

表3 模型M1～M4 中各點沿z 方向的位移

表4 模型M1～M4 中構件截面繞x 軸的轉角

從表4 可以得出，模型M1中θ1= 5. 97 ×10-3rad減小到θ2=4.36 ×10-3rad，降低了46.9%;模型M2中θ1= 46. 87 × 10-3rad 減小到θ2=30.98 ×10-3rad，降低了51.3%;模型M3中θ1=18.93 ×10-3rad 減小到θ2=12. 85 ×10-3rad，降低了47.4%;模型M4中θ1=31.22 ×10-3rad 減小到θ2=20.88×10-3rad，降低了50.0%。由此可見，4 個模型中的θ1均大于θ2，說明在彎矩作用下，加勁肋高度處的柱子截面比底板中面產生了更大的轉角變形。

3 結 語

本文通過分析，可以得出以下結論:

(1)按模型M2、M3和M4的方式布置加勁肋均可提高柱腳的抗彎極限承載力和初始轉動剛度;

(2)柱腳M1、M2、M3和M4均為剛性柱腳;

(3)在彎矩作用下，加勁肋高度處的柱子截面比底板中面產生了更大的轉角變形。

［1]嚴正庭.最新鋼結構實用設計手冊［M］. 南寧:廣西科學技術出版社，2003.

［2]陳紹蕃.鋼結構設計原理［M］.北京:科學出版社，1987.

［3]石亦平，周玉蓉.ABAQUS 有限元分析實例詳解［M］. 北京:機械工業出版社，2007.

［4]王劍.探討外露式鋼結構柱腳加勁肋的布置方式［D］. 杭州:浙江工業大學，2013.