波折腹板鋼梁中柱弱軸半剛性外伸端板連接性能研究

李清揚 鄭紅霞 孫建穎 張琪

摘要：建立實體模型時采用ANSYS軟件，研究波折腹板鋼梁中柱弱軸外伸端板連接的性能，得到彎矩-轉角曲線、最大荷載時的節(jié)點區(qū)位移和von Mises應力云圖，隨外加荷載增加，彎矩-轉角曲線由線性特征轉為非線性。分析了連接的性能，以及梁腹板高度、端板厚度和螺栓直徑對彎矩-轉角曲線的影響。結果表明：梁與中柱連接節(jié)點產(chǎn)生相對轉動變形的主要因素是梁受拉翼緣連接處的端板區(qū)域及與中柱連接處的腹板區(qū)域的變形;梁腹板高度對連接節(jié)點的轉角及抗彎承載力有顯著影響;當端板厚度較小時，端板厚度的變化對連接節(jié)點的轉角及抗彎承載力有顯著影響;當端板厚度增大到一定程度時，對連接節(jié)點的性能影響逐漸減小。螺栓直徑的變化對中柱連接節(jié)點的性能的研究沒有顯著影響。

Abstract： In order to study the performance of weak axis extended end-plate steel beam connections with corrugated webs， the three-dimensional solid model was established by ANSYS software. Moment-rotation curves， nodal displacement map and Von Mises stress cloud picture under the maximum load were obtained.? Characteristics of the moment-rotation curves changes from linear into nonlinear with the increase of external loads.The performance of the connection was analyzed， as well as the influence of web height， end-plate thickness and bolt diameter on the moment-rotation curves.The results show that the main factors of the relative rotation of the beam and middle column are the deformations of end-plate connecting tension flange and the web connecting column.The web height has a significant influence on rotation angle and bending capacity of connection node. When the end-plate is thin， the change of end-plate thickness has an obvious influence on connection node rotation angle and bending capacity. When the end-plate thickness increases to a certain extent， its impact on the performance of the node becomes small gradually. The bolt diameter has not a great impact on the connection node performance.

關鍵詞： 波折腹板鋼梁中柱節(jié)點;弱軸;半剛性連接;靜力性能;彎矩-轉角曲線

Key words： steel beam with corrugated webs central column joint;weak axis;semi-rigid connection;static behavior;moment-rotation curves

中圖分類號：TU391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）36-0132-04

0? 引言

波折腹板鋼梁因其良好的性能，應用日趨廣泛[1-3]。相對于剛性連接，半剛性連接更符合框架節(jié)點的實際情況。文獻[4]研究了波紋腹板H型鋼梁柱強軸半剛性連接性能;孫飛飛，戴曉欣，朱奇，李國強等的文獻[5]《波紋腹板H形鋼空間節(jié)點靜力性能研究》針對梁梁拼接位置的連接方式（栓焊混合連接構造形式和全焊縫連接形式）進行了研究;文獻[6]對波紋腹板H型鋼梁邊柱節(jié)點弱軸半剛性連接性能進行了研究。對于中柱節(jié)點弱軸半剛性連接的研究并不多見，考慮框架的空間工作性能，梁柱弱軸連接是框架節(jié)點的重要組成部分，其性能影響著框架的安全性、適用性、耐久性。端板螺栓連接承載性能好，構造簡單，施工速度快，質量易保證[7]。外伸端板連接是半剛接的典型形式。本文研究波折腹板鋼梁中柱弱軸半剛性外伸端板連接的性能，有一定的實際意義。

研究對象為波折腹板鋼梁中柱弱軸外伸端板半剛性連接節(jié)點，采用ANSYS有限元軟件對其進行三維實體的模擬，得到彎矩-轉角曲線，并進行力學性能研究分析;同時還分析了梁腹板高度、端板厚度和螺栓直徑等參數(shù)對彎矩-轉角曲線的影響。

1? 模型建立

1.1 幾何模型

參考CECS291：2011《波紋腹板鋼結構技術規(guī)程》[8]，中柱連接的模型：型號為CWA500-200x12的波折腹板鋼，梁腹板高500mm，梁翼緣寬200mm、厚12mm，腹板厚4mm，此波形參數(shù)如圖1所示。

普通H型鋼柱的規(guī)格為350mm×350mm×12mm×19mm，采用10.9級M24摩擦型高強螺栓連接，梁伸出段長2.974m，端板厚20mm。梁柱連接尺寸及螺栓排列如圖2、圖3所示。連接幾何模型如圖4所示。

1.2 有限元模型

1.2.1 單元選取和材料特性

采用Solid 92單元對波折腹板鋼梁、H型鋼柱、螺栓、端板進行模擬;柱腹板和端板間的接觸采用Targe 170和Coma 174單元進行模擬;螺栓施加預緊力采用Prets179單元，根據(jù)JGJ82-2011《鋼結構高強度螺栓連接技術規(guī)程》[9]規(guī)定對螺栓的預拉力設計值設置。

選用Q235鋼對梁、柱及端板進行設計，采用Mises屈服準則和等向強化本構模型進行模擬，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比？滋=0.3，接觸面抗滑移系數(shù)為0.40。

1.2.2 網(wǎng)格劃分、邊界條件和加載

網(wǎng)格劃分時，螺栓和端板的結果如圖5所示;模型網(wǎng)格劃分及施加邊界條件如圖6所示。

施加固端約束的部位是柱下端截面的節(jié)點，限制X、Y、Z方向上的自由度;柱頂端施加約束方向為X、Z方向，同時限制X、Z方向的平動自由度。對梁懸臂端施加平面外約束并進行Y向位移耦合，在梁端施加強制的位移荷載，梁端最大位移為21mm。

2? 靜力性能分析

2.1 彎矩-轉角曲線、初始剛度

彎矩-轉角曲線是研究半剛接節(jié)點力學性能的參數(shù)，其中，轉角為連接節(jié)點的相對轉角，是指梁與柱軸線之間產(chǎn)生的轉角變化量。

連接的初始剛度是指連接在梁端彎矩作用下彎矩與轉角之間呈線性關系時的剛度：即

式中：RKi為初始剛度;dM為彎矩變化量;d？茲為轉角變化量;？茲為轉角。

2.2 連接受力特性分析

加載初期，中柱連接處的位移不斷變化，但變化較小，隨外部荷載的加大，中柱連接節(jié)點處的位移也隨之變大，荷載增加到最大時，中柱節(jié)點區(qū)位移如圖7所示。由圖7可知：模型受到最大荷載時，出現(xiàn)塑性變形的部位是端板與柱的腹板，此部位開始出現(xiàn)裂縫。并且轉動中心的變化——由螺栓群中心向下移動，梁端承受豎向荷載作用時，梁受拉翼緣連接處的端板區(qū)域位移最大（圖8）。

由此可知，梁受拉翼緣連接處的端板區(qū)域及中柱連接處的腹板區(qū)域位移較大、應變較大，變形較明顯，是梁與中柱連接節(jié)點產(chǎn)生相對轉動變形的主要因素。

2.3 影響連接性能的參數(shù)分析

為了得到對彎矩-轉角曲線的影響選取的參數(shù)為波折腹板高度、端板厚度和螺栓直徑等。

2.3.1 梁腹板高度

保證其他參數(shù)不變，改變波折腹板高度，建立了A系列模型，如表1所示。對每一個構件均進行有限元的分析得到圖9的結果。

由圖9知：梁腹板高度參數(shù)變化：500mm（A1）增大50mm到550mm（A2）、550mm（A2）增大50mm到600mm（A3）、600mm（A3）增大50mm到650mm（A4）、650mm（A4）增大50mm到700mm（A5）的過程中，連接節(jié)點的初始轉動剛度的變化由17.4%變化到16.2%，由16.2%變化到14.6%，由14.6%變化到13.1%。由此可知當增大梁腹板高度時，中柱連接節(jié)點的初始轉動剛度及極限彎矩均隨之增加。所以，適當增大梁腹板高度可以達到提高承載力的效果。

2.3.2 端板厚度

保證其他參數(shù)不變，通過改變端板厚度，建立了B系列的模型，如表2所示，根據(jù)CECS 51022：2015《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)范》[10]規(guī)范的相關規(guī)定選用端板的厚度。借助ANSYS有限元軟件對不同厚度的模型進行分析，得到彎矩-轉角曲線，如圖10所示。

由圖10可知：當端板厚度由10mm （B1）增加到16 mm （B2）時，轉角及極限彎矩都在變大，且增量顯著，這表明端板厚度較小時，中柱節(jié)點破壞是端板的屈服引起的;厚度由16 mm（B2）擴大到22mm （B3）時，轉角及極限彎矩增加不顯著，這表明中柱節(jié)點的破壞不受端板厚度影響;當厚度由22mm（B3）變化27mm（B5）時，轉角和極限彎矩的增加的更小，這表明中柱連接的破壞是由其他組件造成的。

2.3.3 螺栓直徑

保證其他參數(shù)不變，通過改變螺栓直徑，建立了C系列的模型，如表3所示，螺栓直徑的范圍M20-M30，螺栓對稱布置，同時應滿足構造要求：邊距不能太大，避免端部翹曲;間距也不能太大，太大會造成連接中板件間接觸不密實，進潮氣使鋼材銹蝕。借助ANSYA有限軟件對不同的模型進行分析，得出的彎矩-轉角曲線，如圖11所示。

由圖11知：當螺栓直徑由16mm（C1）變化到27mm（C4）時轉角及極限彎矩增加都不明顯，這表明螺栓直徑不控制連接的破壞，由其他組件造成節(jié)點的破壞。

當波折腹板高度、端板厚度和螺栓直徑由小到大變化時，由圖9-圖11知：波折腹板鋼梁中柱弱軸外伸端板連接表現(xiàn)出明顯的半剛性;加載最初，M與？茲是線性關系;當M增加到一定程度時，連接變?yōu)榉蔷€性特征，M的增量隨？茲的增大而減小，連接剛度有所降低;隨著M的繼續(xù)增加，梁柱連接進入強化階段，即使M有微小的增加也會造成？茲明顯的變大，最終會導致連接發(fā)生破壞。

3? 結論

通過對波折腹板鋼梁中柱弱軸外伸端板半剛性連接的研究，得出以下結論：

①當波折腹板高度增大時，連接節(jié)點的初始轉動剛度也隨之增大，只是增加的幅度在減小。這表明極限承載力相同時，梁腹板高度越大，梁的上下翼緣承受的拉力和壓力越小，各組件的受力也越小，因此會出現(xiàn)上述情況。所以，適當?shù)脑龃罅焊拱甯叨瓤梢赃_到提高極限彎矩的效果。

②端板厚度的變化規(guī)律可知：端板厚度較小時，彎矩-轉角變化幅度很大，端板屈服造成連接節(jié)點的破壞，但端板厚度增加到一定數(shù)值后，連接節(jié)點破壞則由其他組件所決定，所以合理選擇端板厚度既可符合剛度和耗能的要求，又可節(jié)省鋼材。

③當螺栓直徑由小到大變化時，對中柱連接節(jié)點的彎矩–轉角曲線影響不大，故螺栓直徑不控制連接的破壞，由其他組件決定節(jié)點的破壞。

④當開始加載時，彎矩與轉角呈線性關系;隨著彎矩的變大，連接表現(xiàn)的特征為非線性，當彎矩增加到一定值時，梁與中柱的連接就會進入強化階段，即使彎矩有微小增加也會導致轉角顯著變大，最終導致梁與中柱連接節(jié)點發(fā)生破壞。

參考文獻：

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