基于半剛性連接門式剛架的抗震性研究

陳劍波(南京交通職業(yè)技術學院，江蘇 南京211188)

近幾年在工業(yè)廠房的建設中，門式剛架以其自重輕、強度高、抗震性能好、施工速度快、節(jié)能環(huán)保型等優(yōu)點得到眾多設計師的青睞，在工程建設中應用廣泛。傳統的設計法中，梁柱節(jié)點往往采用的是剛接，但在經歷了日本的阪神地震后，工程設計人員發(fā)現傳統的剛性節(jié)點并沒有達到預期的性能，多數節(jié)點在發(fā)生較低程度的塑性變形時就出現了脆性破壞，而此時結構仍處于彈性階段，這使得工程師們開始將目光投向了半剛性節(jié)點。半剛性連接剛架的突出優(yōu)點在于其在地震作用下具有穩(wěn)定的滯回性能和良好的耗能性能，較剛性連接剛架具有更好的抗震性能，從根本上解決了剛性連接節(jié)點延性不宜保證，容易發(fā)生脆性斷裂的缺陷。

圖1 半剛性節(jié)點門式剛架的ansys建模

本文擬對一種采用半剛性節(jié)點的門式剛架進行有限元建模及受力分析，并進一步研究半剛性連接對門式剛架抗震性能的改善程度。

1 門式剛架的ANSYS建模

門式剛架整體模型計算假定：1）剛架梁柱離散化為3節(jié)點的非線性兩單元Beam189，柱間圓鋼支撐離散化為空間鉸接2節(jié)點的桿元Link10，屋面檁條采用Beam44梁單元；2）屋面檁條與剛架梁柱連接采用鉸接點，剛架梁柱采用半剛性連接，圓鋼支撐與結構連接采用鉸接點，柱腳采用剛節(jié)點；3）本模型所有構件假定為理想彈性材料，符合HOOKE定律；4）不考慮壓型鋼板的蒙皮效應。 門式剛架的其他數據采用檐口高度9m，跨度24m，柱距6m，屋面活載0.6KN/m2，屋面恒載0.25KN/m2，不計屋面檁條以及鋼梁自重，基本風壓0.35KN/m2，梁柱采用寬翼緣熱軋H型鋼，檁條采用C160x60x20x2.5冷彎薄壁型鋼，地震設防烈度為7度。計算結構在荷載作用下的相應參數以及工況組合。

2 門式剛架的ANSYS靜力分析

1）求解設置的參數化APDL程序

圖2 半剛性節(jié)點門式剛架的應力強度云圖

Solu（ 進 入 求 解 器 -Lsclear，all-Antype，0（靜態(tài)分析）-Autots，1（自動時間步長）—Nsubst，25，100，1（設置載荷步）-Outres，all，all（輸出所有的結果）-Eqslv，pcg，（采用PCG算法）-Time，15（設置時間）。

2）建立邊界條件

在柱底端采用剛接約束，約束柱腳的所有方向的自由度；

3）模擬實際情況施加外荷載；

4）求解。

靜力計算采用von Mises 屈服準則；按理想彈塑性考慮；采用牛頓-拉斐遜法自動不斷修正彈塑性剛度矩陣，追蹤非線性變化過程。非線性有限元分析一般采用增量迭代法，以追蹤結構整個變形歷程。增量迭代法有：牛頓拉斐遜方法、虛加剛性彈簧法、位移控制

法和弧長法等。本文采用的有限元分析程序ANSYS，將牛頓拉斐頓方法和線性搜索技術、應用預測、自適應下降等加速收斂技術有機結合建立非線性平衡方程求解方法。

收斂準則：

檢查迭代是否收斂的方法有：不平衡節(jié)點力判斷、位移增量判斷和增量理論判斷三種。本文采用了位移增量為判斷收斂的準則：

α—收斂允許值，取0.001。

通過分析結果可見，與剛性連接相比，采用了半剛性節(jié)點的門式剛架的內力圖發(fā)生了變化，主要體現在：梁柱端彎矩有減小的趨勢，屋脊彎矩變大，梁軸力減小，柱端剪力增大，其余內力基本不變。產生該變化的主要原因是梁柱剛度小于傳統的剛接設計，剛度變小從而導致了剛架整體的內力重分布，即使得支座彎矩減小而跨中的彎矩增大。這表明，盡管半剛性連接帶來了較好的抗震性能，但必須嚴格控制柱頂的水平位移，以保證門式剛架在靜力作用下的安全性。

圖3 半剛性節(jié)點門式剛架的內力圖

3 門式剛架半剛性節(jié)點抗震性能的ANSYS分析

1）半剛性節(jié)點的ANSYS靜力計算

采用ANSYS計算所得到的結構應力云圖（見圖4），由應力圖中可以發(fā)現，梁的翼緣部位、翼緣與角鋼連接部位、腹板與連接角鋼以及螺栓周圍這三個區(qū)域為節(jié)點的最大應力區(qū)。

圖4 半剛性節(jié)點的應力云圖

2）半剛性節(jié)點的抗震分析

可以先根據靜力分析結果確定出結構的最大應力部位，把這些區(qū)域列為危險區(qū)域，然后在抗震分析中重點研究這些區(qū)域的高應力點。如上面所提到的對梁的翼緣部位、翼緣與角鋼連接部位、腹板與連接角鋼以及螺栓周圍這三個區(qū)域為節(jié)點的最大應力區(qū)。根據前面所計算出來的這些危險部位的靜荷載應力由ANSYS中得Fatigue模塊進行節(jié)點循環(huán)，計算結果如圖所示。圖中表示節(jié)點32632的疲勞使用壽命系數為0.80000，即該位置(節(jié)點32632)在以該荷載作用下循環(huán)80次后損耗了0.8的使用壽命，它的總壽命是(在本文的加載類型下)N=100，這表明該處為疲勞循環(huán)作用下的危險區(qū)。

圖5 節(jié)點32632的疲勞計算結果壽命計算

根據上面幾個位置所計算得到的抗震壽命情況如表1所示：

表1 各節(jié)點的抗震壽命

由以上的數據可知，結構在螺栓與角鋼部位(節(jié)點64112和節(jié)點64116)，角鋼與柱面的連接部位(節(jié)點32632和節(jié)點32638)是靜力作用下應力較大部位，但在地震作用下僅有在螺栓與角鋼的64116部位和角鋼與柱面的32632部位是抗震危險部位，所以應在抗震設計中，對該部位加以重視，采用有效的處理方法以改善該部位的抗震壽命。由此可見，結構在靜荷載作用下的應力最大位置往往不一定是抗震危險部位，但抗震危險部位卻基本上會出現在這些靜荷載最大應力部位的附近。根據ANSYS計算的結果和實際的試驗相比較，數據的符合情況還是較好的。

4 結語

本文運用有限元分析軟件ANSYS，對采用半剛性節(jié)點的門式剛架結構進行了有限元建模及受力分析，并對半剛性連接的抗震性能模擬分析，為進一步在抗震地區(qū)采用半剛性節(jié)點門式剛架提供了合理的理論基礎。

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