梁端翼緣擴(kuò)大型梁柱節(jié)點(diǎn)受力性能*

楊 璐， 陳 虹(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870)

建筑工程

梁端翼緣擴(kuò)大型梁柱節(jié)點(diǎn)受力性能*

楊 璐， 陳 虹
(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870)

為了研究不同形狀參數(shù)下梁端翼緣加強(qiáng)板對梁端翼緣擴(kuò)大型梁柱節(jié)點(diǎn)的影響，分析了不同形狀的梁端擴(kuò)大翼緣形狀最優(yōu)方案.基于梁端強(qiáng)度相同的準(zhǔn)則，改變其翼緣加強(qiáng)板的形狀，設(shè)計(jì)了三種形狀的梁端翼緣擴(kuò)大型梁柱節(jié)點(diǎn).利用有限元分析軟件ABAQUS建立了不同形狀參數(shù)下的有限元分析模型，研究在靜載作用下節(jié)點(diǎn)的力學(xué)特征，對比分析不同材料參數(shù)的擴(kuò)翼對梁端翼緣擴(kuò)大型節(jié)點(diǎn)性能的影響程度.結(jié)果表明，不同擴(kuò)翼形狀對節(jié)點(diǎn)承載力水平影響并不顯著，而對節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力分布影響較大；擴(kuò)翼強(qiáng)度對節(jié)點(diǎn)的受力性能影響不大.

節(jié)點(diǎn)的可靠度設(shè)計(jì)作為鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)過程中重要的考慮因素，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員一直遵循的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.然而由于鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)在地震和颶風(fēng)等自然災(zāi)害的作用下，其節(jié)點(diǎn)連接區(qū)域塑性鉸的出現(xiàn)極大地影響了節(jié)點(diǎn)的使用性能，給結(jié)構(gòu)的抗震能力帶來了安全隱患[1]，并且梁柱連接節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中現(xiàn)象一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時的關(guān)鍵問題.因此，通過合理地利用梁端擴(kuò)翼使梁端塑性鉸外移，解決梁柱節(jié)點(diǎn)在承受反復(fù)荷載時梁端出現(xiàn)塑性鉸，以及節(jié)點(diǎn)柱與節(jié)點(diǎn)梁連接部位出現(xiàn)應(yīng)力集中的問題，這種新型鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)被運(yùn)用到工程實(shí)際中，即梁端翼緣擴(kuò)大型節(jié)點(diǎn).國內(nèi)外學(xué)者對此種節(jié)點(diǎn)的受力性能進(jìn)行了大量的研究，并取得了較多的理論及試驗(yàn)成果[2-6].王玉田[7]系統(tǒng)地研究了梁端翼緣擴(kuò)大型鋼框架的耗能能力、抗震機(jī)理以及梁柱連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能，通過擬動力試驗(yàn)方法，研究了基于梁端翼緣擴(kuò)大型連接的大比例鋼框架動力反應(yīng)和抗震性能；劉蕓等[8]對側(cè)板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)連接焊縫發(fā)生斷裂的可能性進(jìn)行了研究，并基于焊接殘余應(yīng)力對指定路徑的斷裂指標(biāo)分布規(guī)律進(jìn)行了研究；馬輝[9]建立了擴(kuò)翼型和側(cè)板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的三維有限元模型，采用ANSYS有限元分析軟件對試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了循環(huán)荷載下的有限元計(jì)算，分別對擴(kuò)翼型節(jié)點(diǎn)和側(cè)板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)建模進(jìn)行了循環(huán)荷載下的三維非線性有限元分析.上述學(xué)者對翼緣擴(kuò)大型節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行了詳細(xì)研究，但對節(jié)點(diǎn)材料及擴(kuò)翼形式并未進(jìn)行深入研究.因此，本文在此基礎(chǔ)上研究了翼緣擴(kuò)大型梁柱節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)翼在不同材料性質(zhì)及不同形狀下對節(jié)點(diǎn)受力性能的影響程度，進(jìn)而研究最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)梁端翼緣增加板的材料匹配及尺寸優(yōu)選，為實(shí)際工程中翼緣擴(kuò)大型梁柱節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用提供了參考.

1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

為了深入研究節(jié)點(diǎn)在受力過程中各部分所受應(yīng)力的大小及變化規(guī)律，本文參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]設(shè)計(jì)了四種鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式，其中，梁柱的尺寸分別為H450 mm×250 mm×8 mm×16 mm和H300 mm×120 mm×8 mm×12 mm.三種擴(kuò)大翼緣節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造形式為：擴(kuò)翼與梁上下翼緣焊接，得到的擴(kuò)大翼緣板與柱上加強(qiáng)板焊接，梁端腹板與焊接于柱翼緣上的連接板采用高強(qiáng)螺栓連接；為了保證節(jié)點(diǎn)區(qū)域擁有足夠的強(qiáng)度和剛度，在與梁相連的柱翼緣板內(nèi)側(cè)設(shè)置加勁肋板，肋的厚度與翼緣厚度相同；螺栓采用8.8級摩擦型高強(qiáng)螺栓.普通節(jié)點(diǎn)為連接板通過螺栓連接.四種節(jié)點(diǎn)分別編號為FPC1、FPC2、FPC3和GN1.基于各參數(shù)的分析試件如表1所示.圖1為四種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意圖(單位：mm).

采用分離組合式方法建立梁柱節(jié)點(diǎn)有限元模型.單元類型均為實(shí)體單元C3D8R.為了保證鋼材模擬的準(zhǔn)確性和有效性，鋼材本構(gòu)采用線性彈塑性力學(xué)強(qiáng)化模型.采用TIE定義擴(kuò)翼、梁端翼緣、柱腹板、柱肋板、連接板和柱翼緣之間的焊接連接接觸關(guān)系；考慮材料性質(zhì)與實(shí)際受力情況，螺栓、連接板、柱翼緣和梁腹板之間的接觸關(guān)系設(shè)置為硬接觸，同時設(shè)置鋼材之間的摩擦系數(shù)為0.3.節(jié)點(diǎn)的計(jì)算簡圖如圖2所示，其中，F(xiàn)N為柱軸向荷載，軸壓比為0.3.梁端采用位移加載，近似取梁端轉(zhuǎn)角代替層間位移角.節(jié)點(diǎn)有限元模型如圖3所示.

表1 試件參數(shù)Tab.1 Specimen parameters

圖1 四種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意圖Fig.1 Schematic structure for four kinds of joints

圖2 節(jié)點(diǎn)計(jì)算簡圖Fig.2 Simplified calculation diagram for joint

圖3 四種節(jié)點(diǎn)有限元模型Fig.3 Finite element models for four kinds of joints

2 有限元模擬結(jié)果

2.1 擴(kuò)翼強(qiáng)度對節(jié)點(diǎn)受力性能的影響

圖4 不同擴(kuò)翼強(qiáng)度下三種節(jié)點(diǎn)的荷載位移曲線Fig.4 Load-displacement curves for three kinds of joints with different widened flange strengths

2.2 擴(kuò)翼形狀對節(jié)點(diǎn)性能的影響

圖5 三種擴(kuò)翼強(qiáng)度下FPC2梁端應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram at end of FPC2 beam with three widened flange strengths

圖6 三種擴(kuò)翼形狀荷載位移曲線Fig.6 Load-displacement curves for widened flange with three shapes

3 結(jié) 論

本文通過對不同擴(kuò)翼參數(shù)下的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元模擬分析，對比分析了三種節(jié)點(diǎn)的受力性能，并與非擴(kuò)翼型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了對比分析，得出以下結(jié)論：

1) 翼緣擴(kuò)大型梁柱節(jié)點(diǎn)能夠有效地使梁端塑性鉸出現(xiàn)區(qū)域向梁跨中轉(zhuǎn)移，避免由于塑性鉸的出現(xiàn)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)柱發(fā)生破壞；

2) 節(jié)點(diǎn)梁根部翼緣與腹板交接處存在復(fù)雜的三向應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，合理采用擴(kuò)翼材料能夠有效地分配節(jié)點(diǎn)梁端出現(xiàn)的應(yīng)力集中區(qū)域；

3) 根據(jù)參數(shù)分析可知，擴(kuò)翼強(qiáng)度及形狀的變化對節(jié)點(diǎn)的受力性能影響不大，但對節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力分布影響顯著，擴(kuò)翼形狀對節(jié)點(diǎn)的受力性能亦具有較大影響.

[1]楊雪.基于擬力法的耗能減震結(jié)構(gòu)塑性鉸外移研究 [D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

(YANG Xue.The study of structures with dissipation devices for end offsets using force analogy method [D].Dalian：Dalian University of Technology，2013.)

[2]張浩松.擴(kuò)大翼緣式節(jié)點(diǎn)域箱形加強(qiáng)型工字形柱弱軸連接單調(diào)荷載試驗(yàn)研究 [D].西安：長安大學(xué)，

2014.

(ZHANG Hao-song.Experimental study on I-section beam-to-column connections under the monotonic load with box strengthen-joint region and expanded flange in weak axis [D].Xi’an：Chang’an University，2014.)

[3]劉子龍.梁端擴(kuò)大翼緣型節(jié)點(diǎn)域箱形加強(qiáng)式工字形柱弱軸連接邊框架節(jié)點(diǎn)滯回性能的有限元分析 [D].西安：長安大學(xué)，2015.

(LIU Zi-long.Finite element analysis of hysteretic behavior on expanded flange of box strengthen-joint re-gion connection in fringe frame for weak axis of I-section column [D].Xi’an：Chang’an University，2015.)

[4]馮雙.鋼框架梁端翼緣板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的數(shù)值研究 [J].鋼結(jié)構(gòu)，2013，28(1)：13-18.

(FENG Shuang.Numerical study on flange-plate reinforced connections of steel frame beam [J].Steel Structure，2013，28(1)：13-18.)

[5]王燕，劉蕓，毛輝.梁端翼緣擴(kuò)翼型節(jié)點(diǎn)抗震性能分析 [J].土木建筑與環(huán)境工程，2012，35(2)：52-60.

(WANG Yan，LIU Yun，MAO Hui.Seismic characteristics of widened beam flange joint [J].Journal of Civil，Architectural & Enviromental Engineering，2012，35(2)：52-60.)

[6]張延年，李恒，劉明，等.新型夾心墻用耐腐蝕拉結(jié)件受力性能試驗(yàn) [J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，32(2)：228-234.

(ZHANG Yan-nian，LI Heng，LIU Ming，et al.Expe-rimental study on mechanical performance of new cor-rosion resistant tie for cavity wall [J].Journal of Shen-yang University of Technology，2010，32(2)：228-234.)

[7]王玉田.梁端翼緣擴(kuò)大型連接鋼框架抗震性能研究 [D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2012.

(WANG Yu-tian.Seismic behavior of steel frame with expanded flange connections at the beam end [D].Xi’an：Xi’an University of Architecture & Technology，2012.)

[8]劉蕓，王燕，周翾，等.梁柱翼緣連接焊縫對節(jié)點(diǎn)脆斷特征的影響 [J].工業(yè)建筑，2014，44(9)：150-155.

(LIU Yun，WANG Yan，ZHOU Xuan，et al.Effect of weld at flanges junction of beam and column on the brittle fracture of side-plate reinforced joint [J].Industrial Construction，2014，44(9)：150-155.)

[9]馬輝.鋼框架梁端翼緣擴(kuò)翼型和側(cè)板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)有限元分析 [D].青島：青島理工大學(xué)，2010.

(MA Hui.Finite element analysis of widen flange section and side-plate reinforced section of steel frame [D].Qingdao：Qingdao Technological University，2010.)

[10]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].北京：中國計(jì)劃出版社，2003.

(Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB50017-2003 Code for design of steel structures [S].Beijing：China Planning Press，2003.)

(責(zé)任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)

Mechanical performance of beam-column joint with widened beam flange

YANG Lu, CHEN Hong
(School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to study the influence of beam flange stiffening plate with different shape parameters on the beam-column joint with widened beam flange, the optimal shape scheme for the beam widened flange with different shapes was analyzed. Based on the same beam strength criteria and through changing the shape of flange stiffening plate, the beam-column joint with widened beam flange with three shapes was designed. With the finite element analysis software ABAQUS, the finite element analysis model with different shape parameters was established. In addition, the mechanical properties of the joint under the action of static load were investigated, and the effect of flange with different material parameters on the properties of beam-column joint with widened beam flange was compared and analyzed. The results show that the different shapes of widened flange have no obvious influence on the bearing capacity level of the joint, but possess a great influence on the stress distribution at the joint. Furthermore, the strength of widened flange has a little influence on the mechanical properties of the joint.

finite element analysis; parametric analysis; beam-column joint with widened beam flange; parameter for flange plate; numerical study; static load; contrastive analysis; load-displacement curve

2016-07-14.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11102118)； 遼寧省教育廳基金資助項(xiàng)目(L2012030).

楊 璐(1973-)，女，山東掖縣人，教授，博士，主要從事混凝土彈塑性損傷本構(gòu)和ABAQUS數(shù)值模擬等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.04.19

TU 391

A

1000-1646(2017)04-0459-05

*本文已于2017-01-19 17∶56在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170119.1756.012.html