外伸端板連接節(jié)點(diǎn)抗連續(xù)倒塌性能研究

鹿 偉 劉 娜

(山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

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M=P/L。

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外伸端板連接節(jié)點(diǎn)抗連續(xù)倒塌性能研究

鹿 偉 劉 娜

(山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

基于ANSYS有限元分析軟件，建立了外伸端板連接節(jié)點(diǎn)模型，分析了半剛性節(jié)點(diǎn)在連續(xù)倒塌中的力學(xué)性能，基于該模型進(jìn)行了外伸端板連接節(jié)點(diǎn)抗連續(xù)倒塌能力影響因素的參數(shù)分析，為相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。

連續(xù)倒塌，外伸端板連接，半剛性節(jié)點(diǎn)，有限元分析

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌研究越來(lái)越受到各界的關(guān)注。已有的研究多針對(duì)整體框架在關(guān)鍵柱失效后的整體響應(yīng)，而少有針對(duì)節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)分析。承載力高，變形能力好的節(jié)點(diǎn)能夠提高結(jié)構(gòu)耗能能力，并充分發(fā)揮其懸鏈線抗力機(jī)制。因此，研究失效節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能對(duì)于結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌研究具有十分重要的價(jià)值。

在傳統(tǒng)的分析方法中，通常假定梁柱節(jié)點(diǎn)為完全剛接或理想鉸接。然而在實(shí)際工程中，梁柱節(jié)點(diǎn)幾乎全部表現(xiàn)出半剛性性質(zhì)，因此對(duì)半剛性節(jié)點(diǎn)抗連續(xù)倒塌能力的研究十分必要。外伸端板連接節(jié)點(diǎn)是一種常見的節(jié)點(diǎn)形式，且基于不同的構(gòu)造措施，能夠滿足不同剛度要求，應(yīng)用廣泛。故選取外伸端板連接節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象。

本文運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，采用實(shí)體單元模擬外伸端板連接節(jié)點(diǎn)，研究柱失效后上方節(jié)點(diǎn)的力學(xué)行為及不同參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗連續(xù)倒塌能力的影響，為此類節(jié)點(diǎn)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法的研究提供參考。

1 有限元模型

1.1 模型參數(shù)和網(wǎng)格劃分

本文根據(jù)JGJ 99—98高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程選取一組外伸端板連接節(jié)點(diǎn)模型，模型主要尺寸見表1。采用Solid45模擬鋼組件。分別考慮了端板與螺桿、螺帽、柱翼緣及柱翼緣與螺桿、螺帽接觸面，采用Contact173和Target170單元定義接觸對(duì)。節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分采用映射網(wǎng)格劃分，單元均為規(guī)則的8節(jié)點(diǎn)六面體單元，對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化。

表1 模型結(jié)構(gòu)尺寸表

1.2 邊界條件和加載制度

有限元模型選取框架相鄰梁柱反彎點(diǎn)之間的十字形純鋼節(jié)點(diǎn)，模型見圖1。

為研究不同受力狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)邊界條件，分兩階段進(jìn)行加載。第一階段模擬節(jié)點(diǎn)在純彎狀態(tài)下的力學(xué)行為，梁端約束豎向位移，水平方向自由以保證梁軸力為零，釋放柱端豎向自由。第二階段模擬節(jié)點(diǎn)的拉彎受力狀態(tài)，首先在柱頂施加豎向力直至節(jié)點(diǎn)受彎屈服，然后維持柱頂位移，在梁端施加拉力，直至節(jié)點(diǎn)受拉破壞。

節(jié)點(diǎn)加載簡(jiǎn)圖見圖2。

2 有限元結(jié)果分析

2.1 節(jié)點(diǎn)彎矩—轉(zhuǎn)角關(guān)系

為研究節(jié)點(diǎn)在底層柱失效后的傳力機(jī)理和破壞模式，本文分別對(duì)節(jié)點(diǎn)的純彎和拉彎性能進(jìn)行了模擬。

定義節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角為：

其中，u1和u2分別為鋼梁上下翼緣水平方向位移；hb和tfb分別為鋼梁高度和梁翼緣厚度。

定義節(jié)點(diǎn)彎矩為：

M=P/L。

其中，P為柱頂豎向力；L為鋼梁長(zhǎng)度。

基于上述計(jì)算假定，通過有限元分析，得到了BASE試件彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線如圖3所示，與歐洲規(guī)范建議的曲線形式基本吻合(見圖4)。

2.2 參數(shù)分析

為研究連接性能對(duì)節(jié)點(diǎn)抗連續(xù)倒塌能力的影響規(guī)律，在前文基礎(chǔ)上進(jìn)行了參數(shù)分析。研究指出，由于節(jié)點(diǎn)域柱腹板加勁肋的存在，節(jié)點(diǎn)承載力主要由螺栓、端板尺寸控制。因此，本文基于BASE模型，以端板厚度、螺栓規(guī)格作為研究參數(shù)，對(duì)多組模型進(jìn)行有限元分析，模型參數(shù)見表2。

2.2.1 端板厚度的影響

表2 節(jié)點(diǎn)參數(shù)分析試件信息匯總

在外伸端板連接組合節(jié)點(diǎn)中，端板是重要的傳力構(gòu)件，其厚度對(duì)連接的力學(xué)性能，節(jié)點(diǎn)的破壞模式有顯著影響。

圖5為純彎狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)的彎矩—轉(zhuǎn)角關(guān)系對(duì)比圖，分析結(jié)果表明，端板厚度的變化基本不改變節(jié)點(diǎn)初始剛度，但對(duì)其受彎承載力影響較大。端板厚度的變化對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞模式影響顯著。當(dāng)柱翼緣厚度小于端板厚度時(shí)，節(jié)點(diǎn)破壞由柱翼緣控制；當(dāng)柱翼緣厚度大于端板厚度時(shí)，端板首先受彎破壞。故節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)區(qū)分不同的節(jié)點(diǎn)形式。端板厚度的合理取值能夠避免結(jié)構(gòu)柱端先于梁端發(fā)生破壞。

圖6和圖7分別為拉彎狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)的彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系和拉力—位移關(guān)系，可以看出，端板厚度的不同對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度及變形能力影響顯著。而對(duì)于節(jié)點(diǎn)抗拉承載力的影響同抗彎承載力類似，因此端板厚度同柱翼緣厚度的取值會(huì)顯著影響節(jié)點(diǎn)在連續(xù)倒塌過程中的破壞機(jī)理，在工程實(shí)際中應(yīng)予以考慮。

2.2.2 螺栓規(guī)格的影響

螺栓規(guī)格對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響見圖8～圖10，可以看出：在不同參數(shù)影響下節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能基本呈線性強(qiáng)化特征，各曲線在彈性段重合，承載力及彈性轉(zhuǎn)角差別不大。當(dāng)螺栓強(qiáng)度較高，以端板及柱翼緣板段破壞為主；反之，螺栓先于板段破壞，螺栓受拉變形顯著。

對(duì)比圖7和圖10還可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)螺栓強(qiáng)度相較于端板更弱時(shí)，節(jié)點(diǎn)承載力取決于螺栓強(qiáng)度，此時(shí)節(jié)點(diǎn)屈服彎矩—轉(zhuǎn)角關(guān)系下降明顯。而端板較薄時(shí)，端板屈服后螺栓仍能承擔(dān)較大荷載，故在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免螺栓太弱的情況。

3 結(jié)語(yǔ)

本文建立有限元模型，分析了節(jié)點(diǎn)在純彎和拉彎狀態(tài)下的力學(xué)性能，得出以下結(jié)論:

1)端板對(duì)于提高節(jié)點(diǎn)變形能力有明顯的作用。且節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度隨著端板厚度的增加有明顯提高；螺栓規(guī)格對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度影響不明顯，但會(huì)改變節(jié)點(diǎn)破壞模式，對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力影響較大。端板厚度和柱翼緣厚度的關(guān)系對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞模式，承載力計(jì)算影響十分明顯。應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際合理考慮。

2)本文選取的建模方法能夠較準(zhǔn)確的模擬端板連接節(jié)點(diǎn)性能，在連續(xù)倒塌工況下的力學(xué)性能較為準(zhǔn)確，可以為相關(guān)研究提供參考。

[1]高 山.組合梁平面鋼框架抗連續(xù)倒塌性能研究.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[2]李國(guó)強(qiáng)，石文龍，王靜峰.半剛性連接鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[3]CEN:prEN1993-1-8.Eurocode3:Design of Steel Structures:Part 1.8 Design of joints.

[4]ACE 7-05，Minimum Design for Buildings and Other Structures.

[5]石永久，施 剛，王元清.鋼結(jié)構(gòu)半剛性端板連接彎矩—轉(zhuǎn)角曲線簡(jiǎn)化計(jì)算方法.土木工程學(xué)報(bào)，2006,39(3):19-23.

[6]顧 強(qiáng).鋼結(jié)構(gòu)滯回性能及抗震設(shè)計(jì).北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

Study on anti-continuous-collapsible performance of extended end-plate connection joints

Lu Wei Liu Na

(ShandongUniversityofScience&Technology,Qingdao266590,China)

Based on ANSYS finite element software, the paper establishes extended end-plate connection joint model, analyzes mechanical performance of semi-rigid joint in continuous collapsible, analyzes factors influencing continuous collapsible of extended end-plate connection joints, which has provided some guidance for relevant design.

continuous collapsible, extended end-plate connection, semi-rigid joint connection, finite element analysis

1009-6825(2015)18-0027-02

2015-04-13

鹿 偉(1990- )，男，在讀碩士

TU352

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