鋼框架結(jié)構(gòu)半剛性連接節(jié)點失效模式控制的設(shè)計優(yōu)化研究

邢慧榮

(煙臺飛龍集團有限公司,煙臺 264000)

鋼框架結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域中因其卓越的強度、剛性和抗震性能而被廣泛應(yīng)用,鋼框架半剛性連接節(jié)點在復(fù)雜荷載條件下可能發(fā)生多種失效模式,半剛性連接節(jié)點的性能對整個結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性至關(guān)重要[1]。因此,對其進行深入研究并采取有效的控制和優(yōu)化措施具有重要意義[2,3]。

研究以山東省某市QP2007-18號宗地項目為背景,在對比分析不同鋼框架結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的性能基礎(chǔ)上,確定設(shè)計方案,運用數(shù)值模擬方法研究外伸端板半剛性節(jié)點的失效模式,并對節(jié)點的梁柱結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化。研究成果對于提高鋼框架結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性具有重要意義,可為實際工程中的設(shè)計提供理論支持和指導(dǎo)。

1 工程概況

山東省某市QP2007-18號宗地項目規(guī)劃總用地面積46 887.78 m2(約70畝),擬建物包括8棟現(xiàn)代化多層鋼框架結(jié)構(gòu)建筑和2棟2層商業(yè)配套用房,設(shè)2層的整體地下室。多層鋼框架結(jié)構(gòu)高度為32 m,為全鋼框架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)平面內(nèi)大致呈長方形;單體建筑工字型鋼柱為30根,規(guī)格為Ι390×300×10×16 mm;鋼梁為H型鋼,規(guī)格為HM350×175×7×11 mm。

2 鋼框架結(jié)構(gòu)半剛性連接節(jié)點的設(shè)計

2.1 不同鋼框架結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的對比分析

在傳統(tǒng)的鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中,為了便于鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算以及對鋼梁柱節(jié)點之間的受力機理不明確,通常將梁柱節(jié)點采取全焊接方式處理成完全剛性,或者采用鉚釘、螺栓等方式處理成鉸接。這2種處理方式均沒有考慮梁柱節(jié)點的剛度為半剛性,得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果與實際大相徑庭。完全剛接的節(jié)點設(shè)計忽略了節(jié)點的轉(zhuǎn)動能力和夸大了節(jié)點的承載能力,使得構(gòu)件在靜力荷載或動力荷載作用下容易發(fā)生脆性破壞,而鉸接節(jié)點設(shè)計則完全不考慮節(jié)點的彎矩傳遞,變形過程可以自由轉(zhuǎn)動但不能承受彎矩,從而影響結(jié)構(gòu)的整體受力性能,設(shè)計的經(jīng)濟性和安全性無法得到有效保障[4,5]。鋼框架結(jié)構(gòu)半剛性連接節(jié)點是介于剛性節(jié)點和鉸接節(jié)點之間的一種節(jié)點,節(jié)點在承受荷載時,節(jié)點內(nèi)部的構(gòu)件由剛性到柔性逐漸轉(zhuǎn)化,節(jié)點儲備的剛度和彎矩屈服承載力使其具有一定的抗彎承載力和節(jié)點剛度,同時又具有一定的變形能力、耗能能力和延性,能夠提高建筑的抗震能力和抗彎能力[6]。

目前,鋼框架半剛性節(jié)點連接的方式眾多,根據(jù)節(jié)點位置的變化和構(gòu)造的差異,可以采取不同的連接件將鋼結(jié)構(gòu)進行連接。一般而言,連接件主要包括焊縫、高強螺栓、角鋼構(gòu)件、T型構(gòu)件等。根據(jù)彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系和連接件連接方式的不同,可以將半剛性連接節(jié)點的構(gòu)造方式大致分為8類[7],如圖1所示。

2.2 鋼框架結(jié)構(gòu)半剛性連接節(jié)點設(shè)計方案確定

鋼框架結(jié)構(gòu)半剛性節(jié)點的破壞形式為延性破壞,需要具備一定的耗能能力及轉(zhuǎn)動能力。由于外伸端板節(jié)點連接方式在設(shè)計時具有施工安裝方便、鋼結(jié)構(gòu)耗材較少、施工質(zhì)量最高、結(jié)構(gòu)的抗震性能和連接性能最好,因此,設(shè)計采用外伸端板節(jié)點連接方式。其結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動性能需滿足式(1)所示,以保證節(jié)點連接件的外伸端板先破壞,而螺栓后破壞,節(jié)點構(gòu)件充分耗能。所有鋼結(jié)構(gòu)均采用Q345鋼,外伸端板的厚度為16 mm。

(1)

式中,t為節(jié)點外伸端板的厚度,mm;d為螺栓的直徑,mm;fub和fy分別為螺栓極限抗拉強度和屈服強度,MPa,可按表1進行確定。

表1 不同螺栓等級的屈服強度和極限抗拉強度

3 鋼框架結(jié)構(gòu)半剛性連接節(jié)點失效模式的數(shù)值模擬分析

3.1 鋼框架結(jié)構(gòu)半剛性連接節(jié)點失效模式的數(shù)值模型建立

為研究鋼框架結(jié)構(gòu)半剛性連接的失效模式,運用ABAQUS有限元分析軟件,建立三維外伸端板半剛性節(jié)點數(shù)值分析模型,如圖2所示。所有鋼結(jié)構(gòu)均采用實體單元,均為各項同性材料,材料的本構(gòu)關(guān)系服從理想彈塑性模型,采用減縮積分八結(jié)點線性六面體單元進行網(wǎng)格劃分,并考慮材料的包辛格效應(yīng),即各項同性加載強化[8]。荷載加載方式為單調(diào)靜力加載,初始邊界條件的平動位移和轉(zhuǎn)動位移均為0,分為3個加載過程,第1次加載為施加螺栓預(yù)緊力,荷載大小為224 kN,加載位置為螺栓的中截面,方向為螺栓法向;第2次加載為施加梁端小位移,使螺栓預(yù)梁段進行作用面接觸;第3次加載為施加梁段大位移和轉(zhuǎn)角,加載位移為梁段耦合點,轉(zhuǎn)動角度為0.2 rad,位移方向為向下,位移大小為0.2倍梁模型長度。

連接件中的螺栓為Q345高強螺栓,螺栓等級為10.9級,其屈服強度和極限抗拉強度如表1所示,鋼梁、鋼柱和高強螺栓的彈性模量均取206 GPa,泊松比均取0.3。模擬時,柱構(gòu)件和梁構(gòu)件在節(jié)點附近進行網(wǎng)格加密,柱結(jié)構(gòu)和梁結(jié)構(gòu)在端板高度外網(wǎng)格尺寸均為30 mm,而在端板高度內(nèi)網(wǎng)格尺寸均為12 mm,螺栓部分不考慮螺圈和墊圈,網(wǎng)格劃分按個數(shù)進行劃分。

3.2 鋼框架結(jié)構(gòu)半剛性連接節(jié)點失效模式的數(shù)值模擬結(jié)果分析

針對荷載加載過程,分析外伸端板半剛性節(jié)點的應(yīng)力和轉(zhuǎn)角,研究其節(jié)點的破壞模式,節(jié)點的應(yīng)力計算結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出,在計算步達到13.052時,應(yīng)力的分布主要集中在梁端,靠近梁上翼緣處的端板出現(xiàn)較大應(yīng)力,上部螺栓孔周圍的應(yīng)力明顯大于下部螺栓孔周圍的應(yīng)力,梁的上翼緣的應(yīng)力明顯大于梁中部和下翼緣,梁的加勁肋部分出現(xiàn)屈服現(xiàn)象,梁端節(jié)點的最大應(yīng)力為346 MPa(大于梁鋼材的屈服荷載345 MPa),節(jié)點轉(zhuǎn)角為0.017 2 rad;在計算步達到3.098時,梁端節(jié)點的最大彎矩保持不變,但梁端端板部分出現(xiàn)極限應(yīng)力現(xiàn)象,端板上部的螺栓開始出現(xiàn)屈服現(xiàn)象,端板上部的應(yīng)力最大值逐步向下部擴散。同樣地,上部螺栓孔周圍的應(yīng)力明顯大于下部螺栓孔周圍的應(yīng)力,梁端節(jié)點的最大應(yīng)力為346 MPa,節(jié)點轉(zhuǎn)角為0.025 6 rad;在計算步達到4.057時,上部第二排高強螺栓進入抗拉極限現(xiàn)象,節(jié)點失去承載力,穩(wěn)定性受到破壞,高強螺栓的最大應(yīng)力為1 040 MPa,節(jié)點轉(zhuǎn)角為0.032 0 rad。由此可以看出,設(shè)計的外伸端板半剛性連接節(jié)點的破壞形式為延性破壞,破壞時節(jié)點的端板先屈服,高強螺栓最后達到極限抗拉強度。

4 半剛性連接節(jié)點的設(shè)計優(yōu)化

半剛性節(jié)點的失效與梁柱的剛度也具有明顯關(guān)系,這是因為不同強度和剛度的梁柱,對于半剛性連接點的等效剛度和彎矩屈服承載力具有明顯影響。因此,研究設(shè)計了3種不同的梁規(guī)格方案,并改變鋼柱的尺寸大小,進行數(shù)值計算,分析節(jié)點剛度和屈服承載力的變化特征。計算方案如表2所示。

表2 不同梁柱尺寸的計算方案

圖4為不同設(shè)計方案下半剛性節(jié)點的剛度變化計算結(jié)果。從圖4中可以看出,在相同的方案下(梁的剛度一致),隨著鋼柱的尺寸增加,鋼柱的剛度增加,半剛性節(jié)點的剛度也隨之增加;從方案A～方案C,隨著梁剛度的增加,在同一鋼柱尺寸下,半剛性節(jié)點的剛度也隨著增加,因此在實際工程中可以通過增加鋼梁和鋼柱的剛度來提高節(jié)點剛度。

圖5為不同設(shè)計方案下半剛性節(jié)點的彎矩屈服承載力變化計算結(jié)果。從圖5中可以看出,在相同的方案下,隨著鋼柱的尺寸增加,半剛性節(jié)點的彎矩屈服承載力增幅不明顯;從方案A～方案C,隨著梁剛度的增加,在同一鋼柱尺寸下,半剛性節(jié)點的彎矩屈服承載力也隨之增加,因此在實際工程中,通過改變鋼柱的剛度來提高半剛性節(jié)點的彎矩屈服承載力不經(jīng)濟,而通過改變梁的剛度則可以達到事半功倍的效果。

5 結(jié) 論

a.綜合考慮節(jié)點的施工安裝、耗材、抗震性能和連接性能設(shè)計采用外伸端板節(jié)點連接方式。數(shù)值分析表明,設(shè)計的外伸端板半剛性連接節(jié)點的破壞形式為延性破壞,破壞時節(jié)點的端板先屈服,高強螺栓最后達到極限抗拉強度。

b.隨著鋼柱的尺寸增加,半剛性節(jié)點的剛度也隨之增加;從方案A～方案C,隨著梁剛度的增加,半剛性節(jié)點的剛度也隨之增加,因此增加鋼梁和鋼柱的剛度均可改善半剛性連接節(jié)點剛度。

c.隨著鋼柱的尺寸增加,半剛性節(jié)點的彎矩屈服承載力增幅不明顯;從方案A～方案C,隨著梁剛度的增加,半剛性節(jié)點的彎矩屈服承載力也隨之增加,因此僅改變梁的剛度可以提高半剛性連接節(jié)點的彎矩屈服荷載。