基于ABAQUS的梁腹板開孔的梁柱節點的動力分析

黃 康

(西安建筑科技大學，陜西 西安 710055)

0 前 言

鋼結構憑借其自身優勢不僅廣泛應用于工業、航空航天、橋梁等領域，而且在高層建筑中的應用也越來越廣泛[1]。然而，鋼結構在高層建筑中的應用不是只有優點沒有缺點。

在強震作用下，高層鋼結構梁柱節點成為整體結構的應力大承載力小的薄弱部位，這容易導致梁柱焊接節點的破壞進而導致結構的倒塌，因此，研究梁柱節點的抗震性能和疲勞壽命具有重要的意義[2]。

1 有限元模型建立

本次模型的梁柱截面均采用H形截面，梁柱截面尺寸根據真實截面尺寸建立：鋼梁的截面尺寸是翼緣寬度為200 mm，厚度為12 mm，腹板高度為500 mm，厚度為8 mm；鋼柱的截面尺寸是翼緣寬度為500 mm，厚度為20 mm，腹板高度為500 mm，厚度為15 mm。鋼梁和鋼柱都采用Q235鋼材料。本模型沒有考慮柱上的剪切板與梁腹板之間可能存在的相對滑動。為使分析結果更加真實準確，在梁靠近節點一端劃分網格進行加密如圖1所示。該模型材料遵循VonMises屈服準則[3]。在梁腹板和鋼柱翼緣板連接的地方上下各開了1/4圓孔。鋼柱上下端采用鉸接的形式。

圖1 梁柱節點模型

2 不同位移下的模型對比分析

建立3個相同的模型，對梁的遠離結點的一端施加不同的豎向位移控制來反映不同的動載對節點的影響。3個模型施加的最大豎向位移分別是120、150、180 mm，分別令這三個模型為模型1、2、3。位移加載點位于梁的遠端截面的中心。

2.1 應力云圖分析

應力云圖如圖2所示。

由圖2的模型1的應力云圖所示，在位移載荷的控制下，鋼結構的最大應力都出現在梁的腹板靠近梁柱節點的位置以及梁腹板靠近靠近節點的上下翼緣處，遠離節點應力逐漸降低。而且發現隨著位移載荷的增大，節點處紅色最大應力區域逐漸擴大。

梁在位移載荷作用下，靠近節點位置，梁的腹板中部和靠近翼緣的上下部位首先出現最大應力，當位移達到最大時，靠近節點的整個腹板和翼緣都出現紅色應力區域。

2.2 等效塑性應變云圖分析

等效塑性應變云圖如圖3所示。

圖2 模型1的應力云圖

圖3 模型1的等效塑性應變云圖

等效塑性應變的物理意義是為了記錄變形歷史而提出的一個表征塑性應變累積值的量，將一個復雜應變狀態簡化成一個具有相同效應的單向應變狀態。所以等效塑性應變的分布和大小能很好反映結點的損傷情況。

由圖3可知，最容易產生裂紋發生破壞的地方是梁腹板和翼緣靠近1/4圓孔的位置，最大變形區域面積非常小，大部分塑性應變小，遠離1/4圓孔塑性應變逐漸減小。最大的等效塑性應變隨著施加的最大豎向位移的增加而增大。

2.3 荷載-位移滯回曲線

荷載位移滯回曲線如圖4～6所示。

圖4 模型1的滯回曲線

圖5 模型2的滯回曲線

圖6 模型3的滯回曲線

3個模型的滯回曲線都是梭形說明滯回曲線的形狀非常飽滿，反映出該節點的塑性變形能力強，具有較好的抗震性能和耗能能力。隨著循環次數的增加，曲線圍成的面積越大，說明循環輸入和消耗的能量隨著循環位移的增加而增大。在每一周的循環中，梁端的位移從0加到較大位移時，荷載呈先快速增大階段，梁的位移在往上增加時，荷載增加緩慢直到加到最大值，隨著梁端位移的降低，荷載迅速下降，這表明：在彈性階段，位移隨著荷載的增加而增大并表現出一定的抵抗力；發生塑性變形后，荷載不變或稍微增大時，位移都會發生大幅度的增加。

3 有孔和無孔模型對比分析

分別選擇兩個模型進行比較，一個模型是梁腹板開孔的梁柱節點，在梁的遠端截面中點施加的最大豎向控制位移是150 mm，另一個模型梁腹板不開孔的梁柱節點，在梁的遠端截面中點施加的最大豎向控制位移是150 mm，分別令它們為模型A和模型B。通過比較它們的應力云圖、應變云圖和荷載位移滯回曲線，對它們的抗震性能進行比較進而得到最后的結論。

3.1 應力云圖比較

模型A和模型B的應力云圖比較如圖7～8所示。

圖7 模型A的應力云圖

圖8 模型B的應力云圖

通過上面應力云圖的比較發現，模型A和模型B的最大應力都出現在梁腹板和翼緣靠近節點的部分。就最大應力區域的面積來看，模型B的面積更大。在梁的腹板、翼緣以及柱子的交界處，明顯模型B更加應力集中，模型A中腹板的兩個1/4孔很好的減弱應力集中的問題。

3.2 等效塑性應變云圖比較

模型A和模型B的等效塑性應變云圖比較如圖9～10所示。

如圖9～10所示，模型A和模型B的最大等效塑性應變出現在梁腹板和翼緣靠近節點的部分，遠離最大應變處，等效塑性應變隨著距離的增加而減小。模型A的最大等效塑性應變為2.542,模型B的最大等效塑性應變為3.233，模型B的塑性變形大于模型A，從梁翼緣的變形也可以看出，模型B的應變更加集中。當同時發生相同的地震時，模型B的節點最先發生破壞，這也從側面體現了梁腹板留孔的梁柱節點的優越性。

圖9 模型A的等效塑性應變云圖

圖10 模型B的等效塑性應變云圖

3.3 荷載-位移滯回曲線比較

模型A和模型B的荷載-位移滯回曲線比較如圖11～12所示。

圖11 模型A的滯回曲線

圖12 模型B的滯回曲線

如圖11所示，模型A的滯回曲線都是梭形說明滯回曲線的形狀非常飽滿，反映出該節點的塑性變形能力強，具有好的抗震性能和耗能能力。如圖12，模型B的滯回曲線非常凌亂，一開始循環表現出不很飽滿的梭形曲線，然后曲線突然變成反S形，滯回曲線的形狀不飽滿，說明模型B的節點延性和吸收地震能量的能力較差。

4 結 語

利用動力有限元軟件ABAQUS對梁柱節點進行了數值分析，根據節點的變形最大地方的應力云圖、等效應變云圖及應力應變滯回曲線，得出以下結論。

1)利用有限元軟件ABAQUS能夠很好地模擬梁柱節點在強震作用下的變形情況。因此，本文的數值模擬是合理的。

2)在不同的位移載荷的控制下，變形和應力分布隨著位移的增加而增大。但它們的滯回曲線的形狀都很飽滿，能夠說明出該節點的塑性變形能力強。

3)在有孔和無孔的梁柱節點動力比較中，模型A的節點相比較于模型B具有更好的抗震性能和延性，通過在梁的腹板上可能會出現較大應力集中的地方留孔，可以很好解決應力集中問題，進而可以延長節點的疲勞問題，可以在實際工程應用中使用該節點模式。

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