基于ABAQUS的梁腹板開孔的梁柱節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力分析

黃 康

(西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055)

0 前 言

鋼結(jié)構(gòu)憑借其自身優(yōu)勢(shì)不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空航天、橋梁等領(lǐng)域，而且在高層建筑中的應(yīng)用也越來越廣泛[1]。然而，鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用不是只有優(yōu)點(diǎn)沒有缺點(diǎn)。

在強(qiáng)震作用下，高層鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)成為整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力大承載力小的薄弱部位，這容易導(dǎo)致梁柱焊接節(jié)點(diǎn)的破壞進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的倒塌，因此，研究梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能和疲勞壽命具有重要的意義[2]。

1 有限元模型建立

本次模型的梁柱截面均采用H形截面，梁柱截面尺寸根據(jù)真實(shí)截面尺寸建立：鋼梁的截面尺寸是翼緣寬度為200 mm，厚度為12 mm，腹板高度為500 mm，厚度為8 mm；鋼柱的截面尺寸是翼緣寬度為500 mm，厚度為20 mm，腹板高度為500 mm，厚度為15 mm。鋼梁和鋼柱都采用Q235鋼材料。本模型沒有考慮柱上的剪切板與梁腹板之間可能存在的相對(duì)滑動(dòng)。為使分析結(jié)果更加真實(shí)準(zhǔn)確，在梁靠近節(jié)點(diǎn)一端劃分網(wǎng)格進(jìn)行加密如圖1所示。該模型材料遵循VonMises屈服準(zhǔn)則[3]。在梁腹板和鋼柱翼緣板連接的地方上下各開了1/4圓孔。鋼柱上下端采用鉸接的形式。

圖1 梁柱節(jié)點(diǎn)模型

2 不同位移下的模型對(duì)比分析

建立3個(gè)相同的模型，對(duì)梁的遠(yuǎn)離結(jié)點(diǎn)的一端施加不同的豎向位移控制來反映不同的動(dòng)載對(duì)節(jié)點(diǎn)的影響。3個(gè)模型施加的最大豎向位移分別是120、150、180 mm，分別令這三個(gè)模型為模型1、2、3。位移加載點(diǎn)位于梁的遠(yuǎn)端截面的中心。

2.1 應(yīng)力云圖分析

應(yīng)力云圖如圖2所示。

由圖2的模型1的應(yīng)力云圖所示，在位移載荷的控制下，鋼結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力都出現(xiàn)在梁的腹板靠近梁柱節(jié)點(diǎn)的位置以及梁腹板靠近靠近節(jié)點(diǎn)的上下翼緣處，遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)應(yīng)力逐漸降低。而且發(fā)現(xiàn)隨著位移載荷的增大，節(jié)點(diǎn)處紅色最大應(yīng)力區(qū)域逐漸擴(kuò)大。

梁在位移載荷作用下，靠近節(jié)點(diǎn)位置，梁的腹板中部和靠近翼緣的上下部位首先出現(xiàn)最大應(yīng)力，當(dāng)位移達(dá)到最大時(shí)，靠近節(jié)點(diǎn)的整個(gè)腹板和翼緣都出現(xiàn)紅色應(yīng)力區(qū)域。

2.2 等效塑性應(yīng)變?cè)茍D分析

等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖3所示。

圖2 模型1的應(yīng)力云圖

圖3 模型1的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

等效塑性應(yīng)變的物理意義是為了記錄變形歷史而提出的一個(gè)表征塑性應(yīng)變累積值的量，將一個(gè)復(fù)雜應(yīng)變狀態(tài)簡(jiǎn)化成一個(gè)具有相同效應(yīng)的單向應(yīng)變狀態(tài)。所以等效塑性應(yīng)變的分布和大小能很好反映結(jié)點(diǎn)的損傷情況。

由圖3可知，最容易產(chǎn)生裂紋發(fā)生破壞的地方是梁腹板和翼緣靠近1/4圓孔的位置，最大變形區(qū)域面積非常小，大部分塑性應(yīng)變小，遠(yuǎn)離1/4圓孔塑性應(yīng)變逐漸減小。最大的等效塑性應(yīng)變隨著施加的最大豎向位移的增加而增大。

2.3 荷載-位移滯回曲線

荷載位移滯回曲線如圖4～6所示。

圖4 模型1的滯回曲線

圖5 模型2的滯回曲線

圖6 模型3的滯回曲線

3個(gè)模型的滯回曲線都是梭形說明滯回曲線的形狀非常飽滿，反映出該節(jié)點(diǎn)的塑性變形能力強(qiáng)，具有較好的抗震性能和耗能能力。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，曲線圍成的面積越大，說明循環(huán)輸入和消耗的能量隨著循環(huán)位移的增加而增大。在每一周的循環(huán)中，梁端的位移從0加到較大位移時(shí)，荷載呈先快速增大階段，梁的位移在往上增加時(shí)，荷載增加緩慢直到加到最大值，隨著梁端位移的降低，荷載迅速下降，這表明：在彈性階段，位移隨著荷載的增加而增大并表現(xiàn)出一定的抵抗力；發(fā)生塑性變形后，荷載不變或稍微增大時(shí)，位移都會(huì)發(fā)生大幅度的增加。

3 有孔和無孔模型對(duì)比分析

分別選擇兩個(gè)模型進(jìn)行比較，一個(gè)模型是梁腹板開孔的梁柱節(jié)點(diǎn)，在梁的遠(yuǎn)端截面中點(diǎn)施加的最大豎向控制位移是150 mm，另一個(gè)模型梁腹板不開孔的梁柱節(jié)點(diǎn)，在梁的遠(yuǎn)端截面中點(diǎn)施加的最大豎向控制位移是150 mm，分別令它們?yōu)槟Ｐ虯和模型B。通過比較它們的應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D和荷載位移滯回曲線，對(duì)它們的抗震性能進(jìn)行比較進(jìn)而得到最后的結(jié)論。

3.1 應(yīng)力云圖比較

模型A和模型B的應(yīng)力云圖比較如圖7～8所示。

圖7 模型A的應(yīng)力云圖

圖8 模型B的應(yīng)力云圖

通過上面應(yīng)力云圖的比較發(fā)現(xiàn)，模型A和模型B的最大應(yīng)力都出現(xiàn)在梁腹板和翼緣靠近節(jié)點(diǎn)的部分。就最大應(yīng)力區(qū)域的面積來看，模型B的面積更大。在梁的腹板、翼緣以及柱子的交界處，明顯模型B更加應(yīng)力集中，模型A中腹板的兩個(gè)1/4孔很好的減弱應(yīng)力集中的問題。

3.2 等效塑性應(yīng)變?cè)茍D比較

模型A和模型B的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D比較如圖9～10所示。

如圖9～10所示，模型A和模型B的最大等效塑性應(yīng)變出現(xiàn)在梁腹板和翼緣靠近節(jié)點(diǎn)的部分，遠(yuǎn)離最大應(yīng)變處，等效塑性應(yīng)變隨著距離的增加而減小。模型A的最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.542,模型B的最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.233，模型B的塑性變形大于模型A，從梁翼緣的變形也可以看出，模型B的應(yīng)變更加集中。當(dāng)同時(shí)發(fā)生相同的地震時(shí)，模型B的節(jié)點(diǎn)最先發(fā)生破壞，這也從側(cè)面體現(xiàn)了梁腹板留孔的梁柱節(jié)點(diǎn)的優(yōu)越性。

圖9 模型A的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖10 模型B的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

3.3 荷載-位移滯回曲線比較

模型A和模型B的荷載-位移滯回曲線比較如圖11～12所示。

圖11 模型A的滯回曲線

圖12 模型B的滯回曲線

如圖11所示，模型A的滯回曲線都是梭形說明滯回曲線的形狀非常飽滿，反映出該節(jié)點(diǎn)的塑性變形能力強(qiáng)，具有好的抗震性能和耗能能力。如圖12，模型B的滯回曲線非常凌亂，一開始循環(huán)表現(xiàn)出不很飽滿的梭形曲線，然后曲線突然變成反S形，滯回曲線的形狀不飽滿，說明模型B的節(jié)點(diǎn)延性和吸收地震能量的能力較差。

4 結(jié) 語

利用動(dòng)力有限元軟件ABAQUS對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)值分析，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的變形最大地方的應(yīng)力云圖、等效應(yīng)變?cè)茍D及應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線，得出以下結(jié)論。

1)利用有限元軟件ABAQUS能夠很好地模擬梁柱節(jié)點(diǎn)在強(qiáng)震作用下的變形情況。因此，本文的數(shù)值模擬是合理的。

2)在不同的位移載荷的控制下，變形和應(yīng)力分布隨著位移的增加而增大。但它們的滯回曲線的形狀都很飽滿，能夠說明出該節(jié)點(diǎn)的塑性變形能力強(qiáng)。

3)在有孔和無孔的梁柱節(jié)點(diǎn)動(dòng)力比較中，模型A的節(jié)點(diǎn)相比較于模型B具有更好的抗震性能和延性，通過在梁的腹板上可能會(huì)出現(xiàn)較大應(yīng)力集中的地方留孔，可以很好解決應(yīng)力集中問題，進(jìn)而可以延長節(jié)點(diǎn)的疲勞問題，可以在實(shí)際工程應(yīng)用中使用該節(jié)點(diǎn)模式。

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