波紋腹板H型鋼梁頂?shù)捉卿摪雱傂怨?jié)點研究

楊萬斌，張燕，任玉卓

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北邯鄲056038)

梁柱節(jié)點連接是鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的重點。傳統(tǒng)設(shè)計將節(jié)點連接假定為完全剛接或完全鉸接，但在實際工程中采用的全部連接形式所具有的剛度，都處在完全剛性和理想鉸接的兩種極端情況之間，即節(jié)點都具有有限的剛性［1－2］，應(yīng)作為半剛性連接考慮。波紋腹板鋼梁的腹板采用波紋鋼板，在厚度較小的情況下，不使用加勁肋就能夠具有較高的平面外剛度和屈服強度［3－4］，從而節(jié)約鋼材，提高經(jīng)濟效益，因此，波紋腹板鋼梁在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景［5－6］。目前我國對波紋腹板H型鋼梁半剛性節(jié)點的研究較少。

本文利用有限元軟件ANSYS對波紋腹板H型鋼梁頂?shù)捉卿摪雱傂怨?jié)點進(jìn)行模擬，通過調(diào)整角鋼厚度和梁高，得到彎矩—轉(zhuǎn)角曲線，從而分析這兩個因素對節(jié)點性能的影響。

1 連接節(jié)點的設(shè)計

平腹板H型鋼柱的截面尺寸為400 mm×400 mm×10 mm×14 mm，柱高2 m;根據(jù)《波紋腹板鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 291:2011)［7］，選取波紋腹板H型鋼型號為CWA550－300－12，即梁翼緣寬300 mm、厚 12 mm，梁腹板高 550 mm、厚 2 mm。波形參數(shù)如圖1所示，梁的懸臂段長2 m;螺栓采用10.9級M20摩擦型高強螺栓;角鋼采用L160×10。連接節(jié)點模型示意圖見圖2。螺栓排列見圖3。

2 有限元建模

2.1 本構(gòu)模型的選取

為了使有限元模擬更加接近真實效果，半剛性連接節(jié)點的材料屬性采用實際鋼材的材料屬性，所有鋼材均采用 Q235材質(zhì)，E=2.06×105MPa，泊松比v=0.3，鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用典型的雙線性模型，屈服準(zhǔn)則服從Mises屈服準(zhǔn)則。

2.2 模型建立及網(wǎng)格劃分

采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)分析特點，柱子、波紋腹板H型梁、螺栓、角鋼采用三維實體單元 SOLID95單元來模擬，用TARGE170和CONTA174單元來模擬柱翼緣與角鋼間的接觸，摩擦系數(shù)為0.4。螺栓采用摩擦型高強螺栓。

ANSYS定義網(wǎng)格劃分:遠(yuǎn)離節(jié)點的柱子采用掃略網(wǎng)格劃分，其他部分采用自由劃分。節(jié)點網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

2.3 邊界條件及加載方式

邊界條件:對柱子下端面節(jié)點約束其六個方向的自由度;柱子上端約束X和Z方向的平動自由度;波紋腹板H型鋼梁的懸臂端處端截面所有節(jié)點施加豎向約束。

加載方式:先施加螺栓預(yù)緊力，再在梁懸臂端處端截面施加豎向位移。

3 節(jié)點性能影響因素

彎矩—轉(zhuǎn)角關(guān)系是半剛性節(jié)點的主要力學(xué)性能，一般采用M=f(θ)函數(shù)來描述，式中，M表示作用于節(jié)點的彎矩，θ表示梁柱之間的相對角位移。從M－θ曲線中可得到節(jié)點的剛度、強度和轉(zhuǎn)動能力。

連接的初始轉(zhuǎn)動剛度是指連接在梁端彎矩作用下，其變形仍處于線彈性范圍內(nèi)時連接所具有的轉(zhuǎn)動剛度。在數(shù)學(xué)上，連接的初始轉(zhuǎn)動剛度可用連接M－θ關(guān)系曲線表達(dá)式在原點處的一階導(dǎo)數(shù)表示。

3.1 角鋼厚度的影響

為了研究角鋼厚度對節(jié)點性能的影響，在保證其他參數(shù)不變的情況下僅改變角鋼厚度，角鋼厚度分別取8 mm，10 mm，12 mm，14 mm，得到不同角鋼厚度下的彎矩—轉(zhuǎn)角曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，每條曲線的變化趨勢:加載初期，彎矩—轉(zhuǎn)角曲線呈線性變化，隨著彎矩的增加，曲線斜率降低，彎矩—轉(zhuǎn)角曲線表現(xiàn)為明顯的非線性，彎矩的增幅逐漸減小，當(dāng)彎矩增加到一定值時，彎矩—轉(zhuǎn)角曲線出現(xiàn)下坡段，彎矩隨轉(zhuǎn)角的增加而減小，此時節(jié)點已破壞。

角鋼厚度由8 mm增加到10 mm時，彎矩—轉(zhuǎn)角曲線的斜率增幅較大，即節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度和抗彎承載力都有較大的增長，角鋼厚度由10 mm增加到12 mm時，彎矩—轉(zhuǎn)角曲線的斜率增幅相對減小，角鋼厚度由12 mm增加到14 mm時，斜率增幅更小。說明當(dāng)角鋼厚度較小時，增加角鋼的厚度，節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度和抗彎承載力呈增長的趨勢，但增幅逐漸減小，當(dāng)角鋼厚度增加到一定的程度時對節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度和抗彎承載力影響不明顯。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)角鋼的厚度較小時，節(jié)點破壞是由角鋼屈服造成的，增加角鋼的厚度，節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度和抗彎承載力都相應(yīng)提高;當(dāng)厚度增加到一定程度時，角鋼的變形很小，此時角鋼的厚度對節(jié)點剛度和抗彎承載力的影響已不是控制因素，節(jié)點破壞是由螺栓破壞決定的。

從圖中也可以看出，隨著角鋼厚度的增加，節(jié)點破壞時的轉(zhuǎn)角減小，說明增加角鋼的厚度，節(jié)點的延性會降低，這是因為角鋼厚度較小時，螺栓還未屈服，角鋼已經(jīng)發(fā)生較大塑性變形，節(jié)點延性好。

3.2 梁高的影響

在保證其他參數(shù)不變的情況下只改變波紋腹板H型鋼梁的高度，分別取550 mm，600 mm，650 mm，700 mm，750 mm，得到不同梁高下的彎矩—轉(zhuǎn)角曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，梁高由550 mm增加到750 mm時，節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度及抗彎承載能力均隨之增加，說明梁高對節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度及抗彎承載能力的影響很大，這是因為梁截面高度越大，相同彎矩條件下水平力就越小，則頂角鋼豎肢承受的彎矩越小，螺栓承受的拉力就會減小，同時角鋼水平肢承受拉力也越小，使接觸面不會過早的產(chǎn)生滑移，避免螺栓承受水平剪力對梁翼緣螺孔壁造成擠壓，使螺孔壁屈服。節(jié)點區(qū)的梁端彎矩最大，增加梁的截面高度，截面的抗彎剛度會增大，梁端翼緣不易屈服，也會提高節(jié)點的承載能力和剛度。因此增加梁截面高度可以有效的提高節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度及抗彎承載能力。

4 結(jié)論

1)加載初期，彎矩—轉(zhuǎn)角曲線呈線性變化;隨著荷載的增加，曲線斜率降低，彎矩—轉(zhuǎn)角曲線表現(xiàn)為明顯的非線性;當(dāng)彎矩增加到節(jié)點的極限承載力時時，彎矩—轉(zhuǎn)角曲線出現(xiàn)下坡段，彎矩隨轉(zhuǎn)角的增加而減小。

2)當(dāng)角鋼厚度較小時，增加角鋼的厚度，節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度和抗彎承載力呈增長的趨勢，但增幅逐漸減小，當(dāng)角鋼厚度增加到一定的程度時，對節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度和抗彎承載力影響不明顯。

3)增加角鋼的厚度，節(jié)點的延性會降低。因此在保證延性設(shè)計的要求下，角鋼厚度滿足節(jié)點承載力即可。

4)梁高對節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度及抗彎承載能力的影響很大，節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度及抗彎承載能力均隨梁高的增加而增大，因此增加梁截面高度可以有效的提高節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度及抗彎承載能力。

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