基于附設扇形鋼支撐節點的有限元分析

趙　磊

(云南建投鋼結構有限公司，云南 昆明　650217)

?

基于附設扇形鋼支撐節點的有限元分析

趙磊

(云南建投鋼結構有限公司，云南 昆明650217)

介紹了新型扇形鋼支撐的構造和工作機理，并采用ABAQUS有限元軟件，分別對普通鋼節點、狗骨式節點及附設扇形鋼支撐節點進行靜力彈塑性分析，對比了三種節點的應力分布及塑性區發展過程，指出新型扇形鋼支撐可有效減小節點附近的應力集中，在不削弱鋼梁的情況下，使部分塑性區域轉移至支撐，保證了節點及主要構件的安全性。

扇形鋼支撐，彈塑性分析，狗骨式節點，鋼節點

0　引言

節點連接是保證鋼結構安全的重要部位，對結構受力有著重要影響。根據世界震害實錄分析表明，許多鋼結構都是由于節點首先破壞而導致建筑物整體破壞的[1,2]。因此節點設計是整個設計工作的重要環節。高層鋼結構節點的受力狀況比較復雜，構造要求相當嚴格，除理論分析外，美、日等國很早就對高層鋼結構的節點性能進行試驗研究，我國所制定的“高鋼規程[3]”除采用國外比較成熟的做法外，也進行了必要的試驗研究工作，為節點的構造和計算提供了依據。本文針對新型扇形鋼支撐節點，采用ABAQUS6.12有限元軟件進行彈塑性分析，并與傳統構造形式的節點進行對比，以說明新型節點的優點。

1　傳統節點塑性鉸轉移方式

節點抗震性能的改進措施分為兩個方向：1)增強節點區域，使塑性鉸從節點區域轉移至梁上，可通過加腋或加蓋板等方式對節點進行加強；2)削弱節點附近區域，從而使塑性鉸轉移，其主要方式為對梁翼緣進行局部削弱(狗骨形節點或腹板開槽節點[4])。最終這兩種改進措施都達到了“強節點弱構件”的設計目標[5]。

2　扇形支撐的工作原理

本文提出的扇形鋼支撐節點，通過在梁柱之間附設扇形鋼支撐，將塑性區域由節點域轉移至支撐處，使非重要構件承擔一定的塑性變形，從而保證了節點和主要構件的安全性。

扇形支撐的構造示意圖如圖1所示，在一般情況下，扇形支撐和普通支撐的作用相同，在罕遇地震作用下，扇形支撐允許兩弧形翼緣發生相對錯動，通過腹板屈曲，達到一定的耗能目的。腹板開槽，使其在地震作用下優先屈服。

3　節點有限元分析

3.1材料本構

采用ABAQUS6.12對鋼管混凝土的普通梁柱節點，狗骨式節點以及附設扇形支撐的節點進行靜力彈塑性分析，其中，鋼材采用Q345，混凝土采用C50，鋼材料本構模型采用鋼雙線性模型，考慮包辛格效應，假定無剛度退化，混凝土材料本構采用ABAQUS所提供的基于塑性的連續體損傷模型。本構模型如圖2,圖3所示。

3.2模型建立

鋼節點模型如圖4所示，柱子為鋼管混凝土柱，方鋼管壁厚15 mm；鋼梁采用H型鋼，翼緣和腹板厚度均為15 mm。單元類型為實體單元C3D8R。A點(柱上端)釋放豎向約束，施加豎向荷載2 540 N，B,C兩點施加反對稱正弦集中荷載，峰值為600 kN；D點采用完全固定約束。扇形支撐翼緣厚度為15 mm，腹板厚度10 mm。

3.3有限元分析結果

對有限元模型采用靜力隱式方法進行彈塑性分析，提取16 s時刻應力云圖及計算結果，不同節點的應力云圖及塑性區域分布如圖5～圖7所示。

由應力云圖和塑性云圖可知，鋼管內混凝土未出現塑性變形，普通梁柱節點附近應力集中明顯，且出現較大范圍的塑性變形；狗骨式節點，最大應力和塑性區域出現在鋼梁削弱區段，梁柱連接處應力較小，但由塑性分布云圖可知，削弱翼緣會使梁段出現大面積塑性區域，明顯降低了主要構件的安全性能；在普通梁柱節點附設扇形支撐后，左側鋼梁塑性區域未發生變化；右側節點附近應力及塑性區域減小，僅腹板和翼緣連接處出現塑性。且從塑性分布云圖可知，新型節點可有效將塑性變形轉移至扇形支撐附近。對三種節點的應力時程(S22應力，沿梁方向應力)進行對比，對比結果如圖8～圖10所示。測點均位于梁柱結合處，其中，測點1位于上翼緣與腹板結合處；測點2位于腹板中間；測點3位于上翼緣邊緣。

對比測點1的應力時程可知：在第一個荷載峰值處(16 s附近)，削弱梁段和附設扇形支撐均可有效減小節點附近的應力，其中普通節點應力為470.37 MPa；狗骨式節點為462.29 MPa，應力減小2%；附設扇形支撐節點應力為457.05 MPa，應力減小3%。第二個峰值處(48 s附近)，普通節點應力為472.39 MPa；狗骨式節點的應力為470.22 MPa；附設扇形支撐節點應力為457.38 MPa。狗骨式節點應力提升幅度較大。

對比測點2的應力時程可知：在第一個荷載峰值處，削弱梁段可明顯減小節點附近的應力，其中普通節點應力為200.32 MPa；狗骨節點應力為140.75 MPa；附設扇形支撐節點為238.19 MPa。說明狗骨節點可顯著減小梁端腹板處應力。在第二個荷載峰值處，普通節點應力提高10.83%；狗骨式節點應力提高50.36%；附設扇形支撐節點提高0.46%。狗骨式節點應力提升幅度較大。附設扇形支撐節點應力較大，但在荷載作用過程中，未出現應力突變。

對比測點3的應力時程可知：附設扇形支撐可有效減小節點附近應力。

由以上數據可得出結論：削弱梁段可有效減小節點附近腹板處應力，但在往復荷載作用下，其安全性能有所降低；附設扇形支撐節點后，節點應力變化穩定，且可大幅度減小翼緣處應力，在往復荷載作用下，可有效保證節點的安全性能。對S22應力和E22應變的最大值進行匯總，匯總結果見表1，表2。

表1　不同測點應力對比　MPa

表2　不同測點應變對比

由表1，表2對比結果可知，狗骨式節點和附設扇形支撐節點，大部分應力和應變均在一定程度上有所減小，且翼緣邊緣減小明顯。

4　結語

本文提出在梁柱節點附設扇形支撐的加固措施，采用ABAQUS有限元軟件分別對三種節點進行靜力彈塑性分析，分析結果表明：狗骨式節點可有效減小節點附近應力，但在往復式荷載作用下，沿梁方向正應力明顯增大，即可推斷在地震作用下，狗骨式節點的安全性能下降明顯。附設扇形支撐節點，可將部分塑性變形轉移至鋼支撐附近，在往復荷載作用下，節點應力變化不大，由此可知，在地震作用下，附設扇形支撐可顯著提高節點及主要構件的安全性。

[1]聶正春，李明全.鋼結構節點抗震措施簡述[J].四川建筑,2010，4(30):183-185.

[2]陳自全，彭修寧，林海.鋼結構節點抗震措施研究[J].廣西大學學報,2008,6(33):11-14.

[3]GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S].

[4]李巖，郝際平，周琦，等.節點域無加勁肋的鋼框架栓焊連接邊節點的半剛性及其初始剛度[J].工業建筑，2011，9(41)：120-123.

[5]張曉霞.鋼結構框架梁柱節點連接設計方法探討[J].山西建筑，2011，37(5)：43-44.

Finite-element analysis of steel joint attached fan brace

Zhao Lei

(Yunnan Construction Steel Structure Co., Ltd, Kunming 650217, China)

The new type of fan brace structure and working mechanism are introduced, an analysis model of general steel joint, dog-bone joint and the attached fan brace joint are developed by using software ABAQUS, the static elastoplastic analysis is used. Compare the stress distribution of the three kinds of joints and conclude that the new type of fan brace can effectively reduce the stress concentration near the joint. The plastic zone moved to brace in the case of not weaken the steel beam, and ensure the safety of main components and the joint.

the fan steel brace, elastic-plastic analysis, the dog-bone joint, steel joints

1009-6825(2016)25-0053-03

2016-06-13

趙磊(1988- )，男，助理工程師

TU311.41

A