鋼框架外環(huán)板式節(jié)點力學(xué)性能變參數(shù)分析

陳 顥

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南 昆明 650000)

0 引 言

鋼框架結(jié)構(gòu)廣泛運用于現(xiàn)今的建筑業(yè)中，鋼框架結(jié)構(gòu)相對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)而言，自重小，材質(zhì)均勻，能以較小的構(gòu)件斷面，獲得更大的跨度空間。鋼框架結(jié)構(gòu)中，框架節(jié)點連接上、下框架柱，水平連接框架梁，傳導(dǎo)所連接構(gòu)件的彎矩、剪力、軸力，節(jié)點處受力復(fù)雜，特別是圓形鋼管柱類型的鋼框架節(jié)點，由于柱截面為圓形的特殊性，節(jié)點的受力情況更為復(fù)雜。本文分析對象為圓鋼管柱式鋼框架節(jié)點，節(jié)點加強方式采用外環(huán)板加強方式，節(jié)點兩端鋼梁為H型鋼且梁高不同。對該鋼框架節(jié)點(后文簡稱為節(jié)點)的力學(xué)性能研究，有利于更清晰的了解鋼框架節(jié)點在豎向荷載作用下的受力狀態(tài)，對鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計和運用具有促進作用。

1 節(jié)點力學(xué)性能定義

節(jié)點的力學(xué)性能指：節(jié)點的梁端在豎向荷載作用下，梁端的屈服位移(Δy)、屈服荷載(Py)、極限位移(Δu)、極限荷載(Pu)。屈服位移和屈服荷載指在荷載作用下，節(jié)點最大應(yīng)力處達到材料屈服強度(fy)時的梁端位移量和梁端作用荷載；極限位移和極限荷載指鋼框架節(jié)點最大應(yīng)力處達到材料強度(fu)時的梁端位移和梁端作用荷載。

2 節(jié)點力學(xué)性能變參數(shù)分析概述

節(jié)點力學(xué)性能分析一般指根據(jù)研究目標，通過現(xiàn)場加工鋼構(gòu)件并進行現(xiàn)場試驗所取得的節(jié)點試驗數(shù)據(jù)，對節(jié)點性能進行分析。本文采用數(shù)值分析法對節(jié)點的力學(xué)性能進行分析，數(shù)值分析軟件為有限元分析軟件ABAQUS。分析步驟為：①確定有限元分析模型(后文簡稱模型)幾何參數(shù)和分析參數(shù)，建立模型，模型幾何參數(shù)含節(jié)點各部分截面尺寸和構(gòu)件長度，分析參數(shù)指節(jié)點材料本構(gòu)關(guān)系、單元劃分、邊界條件等；②依據(jù)分析目標，確定模型的加載方式、加載位置和荷載大小，將荷載按加載順序至模型，并進行分析；③對模型分析數(shù)據(jù)提取、整理；④得出分析結(jié)果。該文變參數(shù)分析為改變節(jié)點的3個幾何參數(shù)：軸壓比、管壁厚、外環(huán)板厚度，對節(jié)點分別建立模型并分析。該文分析目標即為3個幾何參數(shù)的變化，對節(jié)點梁端的屈服位移、屈服荷載、極限位移、極限荷載及P-Δ曲線的影響。

3 節(jié)點有限元模型建立及加載

節(jié)點模型構(gòu)件截面參數(shù)見表1。

表1節(jié)點構(gòu)件幾何截面參數(shù)表Tab.1 Table of geometrical section parameters of joint members

鋼框架節(jié)點大樣見圖1-3。

圖1 外環(huán)板上翼緣Fig.1 Flange on outer ring plate

圖2 H150×150×7×10鋼梁外環(huán)板下翼緣Fig.2 Lower flange of H150 × 150 × 7 × 10 steel beam outer ring plate

圖3 H300×150×7×10鋼梁外環(huán)板下翼緣Fig.3 Lower flange of H300 × 150 × 7 × 10 steel beam outer ring plate

鋼框架層高取為3 000 mm，且反彎點均處于層高中部，柱距為3 000 mm，鋼梁最大彎矩處于跨中。

模型材質(zhì)考慮為Q345鋼材，材料本構(gòu)關(guān)系見表2。

表2 材料本構(gòu)關(guān)系表Tab.2 Material constitutive relation

材料彈性模量E=2.1×105 N/mm2，泊松比μ=0.28。該文主要為鋼框架節(jié)點力學(xué)性能的變化規(guī)律性分析，故考慮材料為BKIN理想彈塑性材料，梁端P-Δ曲線無明顯下降段，單元達到最大應(yīng)力500 MPa，即認為單元破壞；材料屈服準則為米塞斯準則，材料流動法則為法向流動法則。節(jié)點分析模型的單元劃分為殼單元(S4R)，沿殼體厚度方向設(shè)置5層分析層；網(wǎng)絡(luò)劃分采用自由網(wǎng)絡(luò)劃分，為能夠較精確的分析節(jié)點，同時兼顧分析效率，節(jié)點部位采用加密種子布置，取種子間距為15，節(jié)點以外的框架柱和鋼梁取種子間距45和60。節(jié)點模型見圖4，節(jié)點單元劃分見圖5。

圖4 節(jié)點模型Fig.4 Node model

圖5 節(jié)點單元劃分Fig.5 Node unit division

節(jié)點模型邊界條件設(shè)置為：柱頂鉸接，不限制軸向位移，柱底鉸接，限值軸向位移為零，鋼梁上翼緣均限值鋼梁平面外位移。

節(jié)點模型加載分為：①鋼框架柱軸壓比加載，除節(jié)點軸壓比分析外，均取軸壓比為0.3；②梁端加載，加載方式為單調(diào)加載，荷載大小為1.2倍的鋼梁極限荷載；梁端加載見表3，節(jié)點模型加載示意圖，見圖6。

表3 梁端加載表Tab.3 Beam end loading table

圖6 節(jié)點模型加載示意圖Fig.6 Schematic diagram of node model loading

4 變參數(shù)分析幾何參數(shù)設(shè)計

1)不同軸壓比對節(jié)點力學(xué)性能影響分析模型節(jié)點編號及柱頂荷載見表4。

表4 軸壓比和柱頂荷載表Tab.4 Axial compression ratio and column top load table

注：其余節(jié)點軸壓比均為0.3。表中節(jié)點名稱即為本組三個節(jié)點的名稱，后文均按此方法設(shè)定。

2)不同管壁厚對節(jié)點力學(xué)性能影響分析模型節(jié)點編號及柱頂荷載，見表5。

表5 管壁厚和柱頂荷載表

3)不同外環(huán)板厚度對節(jié)點力學(xué)性能影響分析模型節(jié)點編號及外環(huán)板厚度見表6；

表6 外環(huán)板厚度表Tab.6 Outer ring plate thickness

5 節(jié)點模型分析及數(shù)據(jù)整理

綜上所述，建立模型并分析，取得分析數(shù)據(jù)后整理如下：

1)不同軸壓比對節(jié)點力學(xué)性能影響分析結(jié)果，見表7，梁端P-Δ曲線對比圖見圖7，圖8。

表7 不同軸壓比分析結(jié)果Tab.7 Analysis results of different axial compression ratios

圖7 鋼梁L1梁端P-Δ曲線對比Fig.7 Comparison of P-Δ curve of steel beam L1 end

圖8 鋼梁L2梁端P-Δ曲線對比Fig.8 Comparison of P-Δ curve of steel beam L2 end

2)不同管壁厚對節(jié)點力學(xué)性能影響分析結(jié)果，見表8，梁端P-Δ曲線對比圖見圖9，圖10。

表8 不同管壁厚分析結(jié)果Tab.8 Analysis results of different pipe wall thicknesses

圖9 鋼梁L1梁端P-Δ曲線對比Fig.9 Comparison of P-Δ curve of steel beam L1 end

圖10 鋼梁L2梁端P-Δ曲線對比Fig.10 Comparison of P-Δ curve of steel beam L2 end

c.不同外環(huán)板厚度對節(jié)點力學(xué)性能影響分析結(jié)果，見表9，梁端P-Δ曲線對比圖見圖11，圖12。

表9 不同外環(huán)板厚度分析結(jié)果Tab.9 Analysis results of different outer ring plate thicknesses

圖11 鋼梁L1梁端P-Δ曲線對比Fig.11 Comparison of P-Δ curve of steel beam L1 end

圖12 鋼梁L2梁端P-Δ曲線對比Fig.12 Comparison of P-Δ curve of steel beam L2 end

6 結(jié) 語

1)據(jù)圖6-11可知，節(jié)點兩端梁在荷載作用下，節(jié)點的P-Δ曲線發(fā)展趨勢基本一致；

2)據(jù)表7-9可知，外環(huán)板式節(jié)點由于節(jié)點剛度和強度均較大，除節(jié)點WHB-1外，梁端極限荷載只與鋼梁截面大小相關(guān)，而梁端屈服荷載，也只與鋼梁截面大小相關(guān)；

3)據(jù)表7-9可知，節(jié)點軸壓比增加，梁端屈服位移和極限位移均增加，屈服位移增加幅度很小，極限位移增加較明顯；隨節(jié)點管壁厚度增加，屈服位移減小，但極限位移減小量較明顯；由于節(jié)點WHB-1的外環(huán)板厚度小于鋼梁翼緣板厚度，其極限位移與節(jié)點WHB-3相同，但極限荷載相差很大，屈服位移隨外環(huán)板厚度增加而減小；節(jié)點兩端梁高差的增大，使屈服位移增加，但極限位移在減小，發(fā)展趨勢相反。

4)該文分析各個節(jié)點力學(xué)性能時，并未加入考慮鋼材材料缺陷、節(jié)點組裝焊接的熱效應(yīng)、焊縫缺陷問題。