翼緣擴大型節點與傳統節點的受力性能對比分析*

楊 璐， 陳 虹

(沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

翼緣擴大型節點與傳統節點的受力性能對比分析*

楊 璐， 陳 虹

(沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

為了研究翼緣擴大型節點的力學性能，對比分析其與塞板焊接節點及傳統鋼結構梁柱連接節點的受力性能差異，設計了一種翼緣擴大型梁柱連接節點.采用ABAQUS分析軟件對三種節點在單調荷載下的受力性能進行分析，研究翼緣擴大型節點在實際結構中應用的可行性，并對比分析三種節點的性能差異.結果表明，翼緣擴大型節點能夠有效改善節點的受力狀態，改善節點區域應力分布問題，使節點梁端的塑性鉸出現區域向跨中轉移；與塞板焊接節點以及傳統節點相比，翼緣擴大型節點承載力較高，且節點域柱與梁端應力分布較為均勻.

翼緣擴大型節點； 塞板焊接節點； 荷載-位移曲線； 塑性鉸； 應力； 數值模擬； 受力性能； 節點域

鋼結構梁柱連接節點在結構抗震分析中作為重要且關鍵的部位，特別是十二五以來國家對鋼結構民用住宅以及產業化施工的引導，使其研究在國內漸漸興起.鋼結構梁柱連接節點的可靠程度直接影響著結構的整體抗震性能，在地震易發地區得到了較為廣泛的應用[1-2].因此，國內外學者對鋼結構節點連接方式以及節點連接的可靠性進行了大量研究[3-5]，并研究了各類型節點的受力及破壞機理.賈連光等[6]進行了2榀框架邊節點的低周往復荷載試驗，研究了蜂窩式鋼框架梁柱節點的抗震性能；徐佳等[7]提出了一種柱翼緣局部外粘薄鋼板加厚的新型連接方式，并利用有限元軟件ABAQUS進行了詳細分析；陳士哲[8]對兩組帶外伸端板加勁肋的中柱節點進行了單調加載試驗，研究了外伸端板加勁肋對節點域力學性能的影響，明確了板內應力流的發展方向，提出了外伸端板加勁肋的初始抗拉剛度表達式.

基于國內外的研究現狀，本文利用ABAQUS有限元分析軟件，通過對節點的受力性能及轉動能力進行了分析，研究了翼緣擴大型節點的受力與破壞機理，并在此基礎上對比分析了此種翼緣擴大型節點與塞板焊接型節點和傳統螺栓式節點的受力性能，為鋼結構節點設計提供了參考.

1 節點設計

根據歐洲規范EC3對節點形式進行分類：按承載力將節點分為全強、部分強度和鉸3種；按剛度將節點分為剛性、半剛性和鉸3類[9].根據節點的彎矩轉角關系，分類結果如圖1所示.

圖1 EC3的節點分類Fig.1 Classification for joints in EC3

圖1中，M*、θ*分別為節點彎矩和轉角的無量綱化，其表達式分別為

M*=M/Mpb

(1)

θ*=θ/(MpbLb/EIb)

(2)

則有

(3)

式中：Mpb、EIb、Lb分別為梁的全塑性彎矩、截面慣性矩和長度；M/θ為節點的剛度；EIb/Lb為梁的線剛度.由圖1可以看出，剛性與半剛性的分界線在無側移框架中表達式如式(4)所示，在有側移框架中表達式如式(5)所示.

(4)

(5)

半剛性與柔性的分界線表達式可統一表示為

M*=0.5θ*

(6)

采用EC3的分類方法，均可得到較為準確的劃分結果.為了分析不同節點在同種工況下的受力及應力變化過程，本文節點設計原型選用沈陽地區某鋼結構建筑鋼梁與鋼柱連接節點，具體梁尺寸為H300 mm×120 mm×8 mm×12 mm，柱尺寸為H450 mm×250 mm×8 mm×16 mm.根據相同的梁柱設計參數，參照《鋼結構連接節點設計手冊》[10]及文獻[11]分別設計了三種梁柱節點構造形式，分別為翼緣加強型節點、塞板焊接型節點以及傳統鋼節點連接構造形式，示意圖如圖2所示.圖2a為翼緣加強型鋼節點(N-1)，連接方式為擴翼與梁端相連(可在工廠預制)，組合成的構件與柱翼緣板焊接，腹板與焊在柱上的連接板通過高強螺栓相連；圖2b為塞板焊接連接節點(N-2)，連接方式為塞板與節點柱翼緣焊接，梁與塞板焊接，前者可在工程預制，大大減少了施工所帶來的工期及施工繁瑣度；圖2c為傳統的鋼結構連接節點(N-3)，連接方式為梁腹板和翼緣直接與柱翼緣焊接.

2 模型建立

2.1 材料選取

本文主要基于ABAQUS非線性有限元分析功能，建立三種節點的三維實體有限元模型[12]，進行了三種形式鋼結構剛性梁柱節點區域的應力分析，研究并比較了兩種形式節點的抗震性能.在模型的建立過程中，考慮了高強螺栓的幾何結構，螺栓設計預緊力的實現，梁腹板與剪切板之間的接觸模擬以及螺母、螺栓桿與螺栓孔之間的接觸模擬等方面的問題.本文研究中螺栓采用10.9級M20摩擦型高強螺栓，螺栓頭、螺栓桿以及螺母簡化為圓柱考慮，忽略墊圈在連接節點模型中的作用.螺栓直徑為15 mm，根據高強度螺栓連接的構造要求，摩擦型高強螺栓的孔徑比螺栓公稱直徑大1.5～2 mm，本文中螺栓孔的直徑取17 mm.研究采用的梁柱節點材料均為Q235B級典型建筑結構用鋼[13].在彈性分析中，假定材料均為各向同性的材料，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比取0.3.在非線性分析中，梁、柱、梁翼緣焊縫和連接剪切板與柱翼緣角焊縫的本構關系采用多線性隨動強化模型，有限元分析采用的真應力-真應變關系曲線通過試驗得到，結果如圖3所示.螺栓和螺母的本構關系取理想彈塑性模型，即初始彈性模量取2.1×105MPa，進入塑性強化階段，剪切模量取0，對于10.9級的高強度螺栓，其屈服強度為940 MPa.

圖2 三種節點構造形式示意圖Fig.2 Schematic structure form for three types of joints

2.2 邊界條件及網格劃分

為了更加準確地模擬和分析鋼結構節點的工作條件，本文模型采用實體單元建模，在柱底約束六個方向的自由度，柱頂約束除柱軸向方向的五個自由度，梁端約束平面外的自由度.為了便于比較，三種節點的相同部位采用相同的單元尺寸.模型采用分離組合方式建立，柱頂施加軸向荷載，軸壓比為0.3，梁端施加往復荷載.由于翼緣擴大型連接節點結構具有一定的復雜性，有限元模型采用自由網格劃分.三種節點模型如圖4所示.模型中螺栓桿、螺母以及剪切板和梁腹板接觸部分利用ABAQUS的智能網格劃分功能進行網格劃分，梁翼緣焊縫和連接剪切板與柱翼緣角焊縫附近區域為研究所重點關注的位置，其網格劃分也較為細密.塞板連接節點和傳統全焊接連接節點的有限元模型與翼緣擴大型連接節點相類似，僅結構構造相對簡單.

圖3 真應力-真應變關系曲線Fig.3 Relationship curves betweenture stress and ture strain

圖4 三種節點模型Fig.4 Models for three types of joints

3 結果分析

3.1 荷載-位移曲線

為了研究節點在整個承載過程中的受力性能，取各節點在梁端加載作用下的荷載-位移曲線作為分析與研究的重點.圖5為三種節點在同種承載狀態下的荷載-位移曲線.圖6為三種節點的彎矩-轉角曲線.

圖5 節點荷載-位移曲線Fig.5 Load-displacement curves of joints

圖6 節點彎矩-轉角曲線Fig.6 Moment-rotation angle curves of joints

從圖5可以看出，在初始加載時，三種節點的荷載-位移曲線走向趨勢基本重合，節點的剛度相似，當荷載達到約90 kN時，其曲線走勢開始變化.N-1節點呈現類似于雙折線的荷載-位移曲線，在加載初期，節點梁端翼緣與擴翼均勻地承受拉應力，通過螺栓連接的腹板和連接板所承受的拉力較小，隨著荷載的持續增加，梁端截面所受應力區域不斷擴大，節點翼緣部分屈服，但腹板及螺栓未達到屈服強度.N-2節點與N-3節點在加載初期節點剛度一致，當節點達到約95 kN時，節點的增長趨勢開始改變，N-2節點由于增加了塞板，其節點域剛度在一定程度上增大，節點承載力繼續呈非線性增加，節點屈服承載力增加，而對于節點N-3，屈服承載力略小于其他兩種節點，但在加載后期，其荷載-位移曲線增長斜率與N-2節點基本保持平行，兩種節點在加載后期，其節點剛度基本相似.塞板的增加改變了節點的屈服承載力及極限承載力.由圖6可知，三種節點的轉動性能相似，加載初期三種節點的彎矩-轉角曲線重合，隨著荷載的持續施加，節點的轉動剛度發生改變，其中，N-1、N-2節點的轉動能力要優于N-3節點.

3.2 節點應力分布

應力云圖變化是分析節點區域應力變化的重要參考指標.為了研究三種節點的節點域各組成構件的應力變化及應力分布情況，重點研究了節點域梁端、節點柱以及節點柱加勁肋板的應力變化及應力分布.圖7為三種節點的節點域中梁端應力云圖.節點梁端的應力變化與節點構造形式關系影響較大.由圖7a可知，N-1節點的應力分布較為均勻，節點擴翼與梁翼緣受力分布均勻，并沒有發生應力突變，梁端腹板受力主要集中于螺栓與翼緣之間，螺栓孔附近部分區域出現應力集中現象，表明節點區域螺栓發揮抗剪切變形的作用.從應力云圖的變化可知，節點的塑性鉸出現區域遠離節點域，向梁跨中轉移，出現在擴翼遠離節點的端部，降低節點發生脆性破壞的可能.對于N-2節點與N-3節點，由圖7b、c可知，兩種節點的梁端翼緣應力分布較為均勻，但應力集中區域以及梁塑性均發生在梁端.

圖7 三種節點梁端應力云圖Fig.7 Stress nephogram at beam endfor three types of joints

三種節點域柱與柱加勁肋板的應力云圖分別如圖8、9所示.由于節點構造不同，節點梁與節點柱連接構造不同，均會導致節點區域柱與柱加勁肋板所受的應力分布變化不同.

圖8 三種節點柱應力云圖Fig.8 Stress nephogram at columnfor three types of joints

圖9 柱加勁肋板應力云圖Fig.9 Stress nephogram at stiffening rib plate of column

由圖8、9中可以看出，三種節點的節點域柱腹板受力均較大，節點柱翼緣發生輕微的變形，節點柱翼緣與腹板連接處均有應力集中現象.N-1節點的柱翼緣與柱加勁肋板所受應力分布面積較大，這是由于在梁端翼緣增加擴翼造成的.N-2節點的節點域柱翼緣應力分布較為均勻，這是由于節點塞板的加入導致節點的傳力機理發生變化，節點梁端所受荷載傳于塞板，塞板將荷載均勻地傳于柱翼緣.N-3節點所受應力變化集中于與梁翼緣相接的部位，應力集中現象最為明顯.

4 結 論

根據對三種節點在梁端位移加載作用下的荷載-位移曲線與各組成部分應力云圖變化的分析可知，三種節點均能有效地傳遞梁端荷載，傳力路徑及傳力機理明確；梁端翼緣擴大型節點能夠有效地增加節點的荷載承載力，改變節點區域的應力應變分布，使節點梁端塑性鉸出現區域向梁跨中轉移；通過對比分析可知，增加梁端翼緣面積以及在梁端增加塞板均能改善節點的受力性能.

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(責任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)

Contrastiveanalysisonmechanicalperformancebetweenjointwithwidenedbeamflangeandtraditionaljoint

YANG Lu, CHEN Hong

(School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to study the mechanical performance of the joint with widened beam flange and perform the contrastive analysis in the difference of mechanical performance among the joint with widened beam flange, the welded joint with plug plate and the traditional steel beam-column connection joint, a connection joint with widened beam flange was designed. The mechanical properties of three types of joints under the monotonic load were analyzed with the analysis software ABAQUAS, and the application feasibility of joint with widened beam flange in the actual structure was researched. In addition, the performance difference among three types of joints were contrasted and analyzed. The results show that the joint with widened beam flange can effectively improve the stress state of the joint and the stress distribution problem in the panel zone, and make the region at the beam end where the plastic hinge appears move to the midspan of beam. Compared with the welded joint with plug plate and the traditional joint, the joint with widened beam flange has higher bearing capacity, and the stress distribution at the beam end and the column in the panel zone is more homogeneous.

joint with widened beam flange; welded joint with plug plate; load-displacement curve; plastic hinge; stress; numerical simulation; mechanical performance; panel zone

TM 343

： A

： 1000-1646(2017)05-0572-06

2016-08-31.

國家自然科學基金資助項目(11102118)； 遼寧省教育廳基金資助項目(L2012030).

楊 璐(1973-)，女，山東掖縣人，教授，博士，主要從事混凝土彈塑性損傷本構和ABAQUS數值模擬等方面的研究.

* 本文已于2017-01-19 17∶56在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170119.1756.010.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.05.18