加勁肋布置方式對剛接柱腳力學(xué)性能的影響

趙滇生，蔣 丹

ZHAO Diansheng，JIANG Dan

(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州310014)

柱腳是建筑結(jié)構(gòu)的重要組成部分，具有固定位置和傳力的作用。合理設(shè)計柱腳節(jié)點以確保內(nèi)力有效、可靠地傳遞給基礎(chǔ)。柱腳中的加勁肋可以增加底板剛性，增大其轉(zhuǎn)動約束能力［1］。本文主要運用有限元分析軟件ABAQUS 研究加勁板布置方式對外露式鋼結(jié)構(gòu)柱腳力學(xué)性能的影響，從而討論合理的加勁肋布置方式，為實際工程設(shè)計提供參考。

1 有限元柱腳模型參數(shù)

1.1 柱腳構(gòu)件的選取

本文H 型鋼柱的截面尺寸為H600 ×550 ×16×24，柱底板尺寸為950 mm×650 mm ×30 mm，加勁板高度為250 mm，厚度為15 mm，墊板的尺寸為80 mm× 80 mm × 20 mm，混凝土的長寬高取為1150 mm×850 mm×800 mm，錨栓采用M30。柱腳的組成構(gòu)件鋼柱、錨栓、底板和墊板均選用低合金鋼Q345，鋼材的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為fy=345 MPa，彈性模量Es=2.06×105MPa，泊松比為0.3［2］。基礎(chǔ)混凝土的強(qiáng)度等級為C30，其軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=20.1 MPa，彈性模量Ec=3.00 ×104MPa，泊松比為0.2?？紤]柱反彎點位于層高中部，取柱段1.5 m。

1.2 構(gòu)件模型參數(shù)

柱腳的鋼柱、加勁肋、錨栓、墊板和底板均采用C3D8I 進(jìn)行模擬，采用雙線性隨動強(qiáng)化模型，混凝土選取C3D8R 進(jìn)行模擬［3］，采用多線性等向強(qiáng)化模型，Von Mises 屈服準(zhǔn)則［4］。本文建立模型M1、M2、M3和M4四個柱腳模型，其平面圖見圖1。

2 有限元柱腳模型結(jié)果對比分析

2.1 柱腳極限承載力的對比分析

各柱腳模型的M-θ 曲線對比圖見圖2。

圖1 模型構(gòu)造及尺寸

圖2 模型M1～M4 的M-θ 曲線對比圖

由圖2 可以得出模型M1、M2、M3和M4的屈服彎矩和屈服轉(zhuǎn)角，見表1。

表1 模型M1～M4 的屈服彎矩和屈服轉(zhuǎn)角

不同加勁肋布置方式的各個柱腳的初始轉(zhuǎn)動剛度和抗彎極限承載力見表2。

表2 模型M1～M4 的抗彎極限承載力和初始轉(zhuǎn)動剛度

由表2 可得，柱腳的初始轉(zhuǎn)動剛度越大，其抗彎極限承載力就越大。由表2 中的數(shù)據(jù)可知，模型M2與模型M1相比，抗彎極限承載力由414.9 kN·m 增大到476.5 kN·m，提高了14. 8%，初始轉(zhuǎn)動剛度由156 MN·m·rad-1增大到172 MN·m·rad-1，提高了10.3%;模型M3與M1相比，抗彎極限承載力由414.9 kN·m增大到456.6 kN·m，提高了10.1%，初始轉(zhuǎn)動剛度由156 MN·m·rad-1增大到167 MN·m·rad-1，提高了7.1%;模型M4與M1相比，抗彎極限承載力由414.9 kN·m 增大到467.4 kN·m，提高了12.7%，初始 轉(zhuǎn) 動 剛 度 由 156 MN·m·rad-1增 大 到169 MN·m·rad-1，提高了8.3%。由此可見，按模型M2、M3和M4的方式布置加勁肋均可提高柱腳的抗彎極限承載力和初始轉(zhuǎn)動剛度，其中模型M2中加勁肋的布置對提高柱腳的抗彎極限承載能力效果最好。由模型M2、M3和M4的分析結(jié)果對比可知，底板區(qū)格數(shù)越多，柱腳抗彎極限承載力越大，由模型M3和M4的對比可知，當(dāng)?shù)装鍏^(qū)格數(shù)相同，加勁肋劃分各區(qū)格大小越均勻，柱腳抗彎極限承載力越大。這是因為區(qū)格劃分得多而小，內(nèi)力分布會更均勻，從而改善柱腳的受力性能。

2.2 構(gòu)件截面轉(zhuǎn)角的對比分析

各個柱腳中柱子和底板在彎矩作用下均產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)角變形，其中在加勁肋高度處的鋼柱截面應(yīng)力較大，因此研究鋼柱在此位置處的截面繞x 軸的轉(zhuǎn)角;而底板則是研究其中面繞x 軸的轉(zhuǎn)角。通過對各個柱腳模型中鋼柱和底板轉(zhuǎn)角的對比分析，得到變形較大的截面。構(gòu)件中變形前為平面的截面，在變形后不再保持平面，因此取構(gòu)件截面上兩對稱點在z 軸方向的位移來研究截面繞x 軸的轉(zhuǎn)角。

圖3 模型M1～M4 點的位移

圖3 中點a1、點a2、點b1和點b2在模型中的位置見圖1。從圖3 中可以看出，柱腳處于彈性變形階段時，隨著彎矩的增加，位移變化很小，當(dāng)柱腳鋼材進(jìn)入塑性階段時，位移隨時間變化很大，這與M-θ曲線關(guān)系一致。

根據(jù)圖3 可以得出各點沿z 方向的位移，見表3。

表3 模型M1～M4 中各點沿z 方向的位移

表4 模型M1～M4 中構(gòu)件截面繞x 軸的轉(zhuǎn)角

從表4 可以得出，模型M1中θ1= 5. 97 ×10-3rad減小到θ2=4.36 ×10-3rad，降低了46.9%;模型M2中θ1= 46. 87 × 10-3rad 減小到θ2=30.98 ×10-3rad，降低了51.3%;模型M3中θ1=18.93 ×10-3rad 減小到θ2=12. 85 ×10-3rad，降低了47.4%;模型M4中θ1=31.22 ×10-3rad 減小到θ2=20.88×10-3rad，降低了50.0%。由此可見，4 個模型中的θ1均大于θ2，說明在彎矩作用下，加勁肋高度處的柱子截面比底板中面產(chǎn)生了更大的轉(zhuǎn)角變形。

3 結(jié) 語

本文通過分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)按模型M2、M3和M4的方式布置加勁肋均可提高柱腳的抗彎極限承載力和初始轉(zhuǎn)動剛度;

(2)柱腳M1、M2、M3和M4均為剛性柱腳;

(3)在彎矩作用下，加勁肋高度處的柱子截面比底板中面產(chǎn)生了更大的轉(zhuǎn)角變形。

［1]嚴(yán)正庭.最新鋼結(jié)構(gòu)實用設(shè)計手冊［M］. 南寧:廣西科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

［2]陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理［M］.北京:科學(xué)出版社，1987.

［3]石亦平，周玉蓉.ABAQUS 有限元分析實例詳解［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［4]王劍.探討外露式鋼結(jié)構(gòu)柱腳加勁肋的布置方式［D］. 杭州:浙江工業(yè)大學(xué)，2013.