鋼框架外環板式節點力學性能變參數分析

陳 顥

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650000)

0 引 言

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

1 節點力學性能定義

節點的力學性能指：節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，節點最大應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點最大應力處達到材料強度(fu)時的梁端位移和梁端作用荷載。

2 節點力學性能變參數分析概述

節點力學性能分析一般指根據研究目標，通過現場加工鋼構件并進行現場試驗所取得的節點試驗數據，對節點性能進行分析。本文采用數值分析法對節點的力學性能進行分析，數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)幾何參數和分析參數，建立模型，模型幾何參數含節點各部分截面尺寸和構件長度，分析參數指節點材料本構關系、單元劃分、邊界條件等；②依據分析目標，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對模型分析數據提取、整理；④得出分析結果。該文變參數分析為改變節點的3個幾何參數：軸壓比、管壁厚、外環板厚度，對節點分別建立模型并分析。該文分析目標即為3個幾何參數的變化，對節點梁端的屈服位移、屈服荷載、極限位移、極限荷載及P-Δ曲線的影響。

3 節點有限元模型建立及加載

節點模型構件截面參數見表1。

表1節點構件幾何截面參數表Tab.1 Table of geometrical section parameters of joint members

鋼框架節點大樣見圖1-3。

圖1 外環板上翼緣Fig.1 Flange on outer ring plate

圖2 H150×150×7×10鋼梁外環板下翼緣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。

模型材質考慮為Q345鋼材，材料本構關系見表2。

表2 材料本構關系表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點力學性能的變化規律性分析，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。節點分析模型的單元劃分為殼單元(S4R)，沿殼體厚度方向設置5層分析層；網絡劃分采用自由網絡劃分，為能夠較精確的分析節點，同時兼顧分析效率，節點部位采用加密種子布置，取種子間距為15，節點以外的框架柱和鋼梁取種子間距45和60。節點模型見圖4，節點單元劃分見圖5。

圖4 節點模型Fig.4 Node model

圖5 節點單元劃分Fig.5 Node unit division

節點模型邊界條件設置為：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。

節點模型加載分為：①鋼框架柱軸壓比加載，除節點軸壓比分析外，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 節點模型加載示意圖Fig.6 Schematic diagram of node model loading

4 變參數分析幾何參數設計

1)不同軸壓比對節點力學性能影響分析模型節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：其余節點軸壓比均為0.3。表中節點名稱即為本組三個節點的名稱，后文均按此方法設定。

2)不同管壁厚對節點力學性能影響分析模型節點編號及柱頂荷載，見表5。

表5 管壁厚和柱頂荷載表

3)不同外環板厚度對節點力學性能影響分析模型節點編號及外環板厚度見表6；

表6 外環板厚度表Tab.6 Outer ring plate thickness

5 節點模型分析及數據整理

綜上所述，建立模型并分析，取得分析數據后整理如下：

1)不同軸壓比對節點力學性能影響分析結果，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)不同管壁厚對節點力學性能影響分析結果，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.不同外環板厚度對節點力學性能影響分析結果，見表9，梁端P-Δ曲線對比圖見圖11，圖12。

表9 不同外環板厚度分析結果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 語

1)據圖6-11可知，節點兩端梁在荷載作用下，節點的P-Δ曲線發展趨勢基本一致；

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

3)據表7-9可知，節點軸壓比增加，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；由于節點WHB-1的外環板厚度小于鋼梁翼緣板厚度，其極限位移與節點WHB-3相同，但極限荷載相差很大，屈服位移隨外環板厚度增加而減小；節點兩端梁高差的增大，使屈服位移增加，但極限位移在減小，發展趨勢相反。

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