新型鋼結(jié)構(gòu)裝配式節(jié)點(diǎn)有限元分析

楊軍平 熊英慶 鄒永勝

摘要：在既有的鋼結(jié)構(gòu)梁柱外伸端板連接節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出一種新型鋼結(jié)構(gòu)裝配式節(jié)點(diǎn)，利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行單調(diào)遞增荷載和循環(huán)往復(fù)荷載作用下的數(shù)值分析，通過將新型節(jié)點(diǎn)在單調(diào)遞增荷載作用下的節(jié)點(diǎn)抗彎剛度與EC3規(guī)范下的節(jié)點(diǎn)剛度量化規(guī)定進(jìn)行對比，得出結(jié)論：新型節(jié)點(diǎn)是一種剮性節(jié)點(diǎn)，通過將新型節(jié)點(diǎn)與既有的梁柱外伸端板連接節(jié)點(diǎn)在單調(diào)遞增荷載下的破壞模式、屈服位移、極限位移進(jìn)行對比;在往復(fù)荷載作用下的滯回曲線、粘滯阻尼系數(shù)進(jìn)行對比，得出結(jié)論：新型節(jié)點(diǎn)具有更好的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度、延性和耗能性能，新型節(jié)點(diǎn)破壞處外移至節(jié)點(diǎn)核心區(qū)以外，滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震要求，端板厚度增加，可提高節(jié)點(diǎn)承載能力。

關(guān)鍵詞：梁柱外伸端板連接節(jié)點(diǎn);剛性節(jié)點(diǎn);強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件

中圖分類號：TU391DOI：10.16375/j.cnki，cn45-1395/t，2020.02.004

0引言

梁柱端板外伸式連接節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)有：施工簡單方便，施工環(huán)境依賴性小，構(gòu)件質(zhì)量不會因現(xiàn)場施工操作環(huán)境而降低，更易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)裝配化生產(chǎn)和安裝，傳統(tǒng)梁柱端板連接的節(jié)點(diǎn)承載能力取決于螺栓直徑和端板厚度，在保證螺栓承載力的前提下，節(jié)點(diǎn)剛度和承載能力隨著端板厚度增大而增大，增大到一定厚度效果不明顯，單純的增大螺栓直徑和端板厚度，只能提高節(jié)點(diǎn)承載能力，并不能改變節(jié)點(diǎn)的受力和破壞特征，為此提出一種新型鋼結(jié)構(gòu)裝配式節(jié)點(diǎn)。

參考以往剛性節(jié)點(diǎn)擴(kuò)翼緣加強(qiáng)，王燕等對鋼框架剛性節(jié)點(diǎn)擴(kuò)翼緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，可以使梁柱節(jié)點(diǎn)塑性鉸外移至梁翼緣擴(kuò)大端截面以外的位置，保證了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的強(qiáng)度，且節(jié)點(diǎn)有較好的變形性能，郁曙光把梁端翼緣加強(qiáng)與狗骨削弱結(jié)合起來，將節(jié)點(diǎn)塑性鉸外移至梁端狗骨削弱處，但狗骨處對框架梁承載能力有較大的削弱，在文獻(xiàn)[5]中提出了一種新型擴(kuò)翼緣端板型連接節(jié)點(diǎn)，端板通過16個圓形分布的高強(qiáng)螺栓與H型鋼柱連接，研究了螺栓連接撬力分布，并未涉及到抗震性能研究，為充分發(fā)揮鋼框架梁的強(qiáng)度，擬提出一種新型的擴(kuò)翼緣端板型連接節(jié)點(diǎn)：未削弱的鋼梁通過翼緣側(cè)板加強(qiáng)與端板相連，梁與端板在預(yù)制工廠內(nèi)通過全熔透焊縫連接，來保證構(gòu)件出廠時的焊縫質(zhì)量，端板通過16個高強(qiáng)螺栓與柱連接，在外荷載作用下，避免了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)應(yīng)力集中，使得梁柱構(gòu)件塑性鉸外移，滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震性能要求。

計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，給工程科學(xué)帶來了革命性的變化，以虛擬模擬為代表的計算機(jī)輔助工程（computer Aided Engineering，CAE）在科研開發(fā)、項(xiàng)目研制的過程中有無與倫比的優(yōu)越性，在結(jié)構(gòu)工程的研究中逐漸發(fā)展為以虛擬模擬分析為主的趨勢，例如文獻(xiàn)[7-8]都是以有限元軟件ansys對結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)或構(gòu)配件進(jìn)行模擬分析。

本文通過ansys有限元模擬分析，將加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)分析結(jié)果在歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范EC3下進(jìn)行對比，得出加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)是剛性節(jié)點(diǎn)的結(jié)論，節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)形式通過側(cè)翼緣加強(qiáng)與螺栓數(shù)量的增設(shè)，節(jié)點(diǎn)承載能力在不同端板厚度下平均提高了36.86%，節(jié)點(diǎn)的加強(qiáng)不僅提高了節(jié)點(diǎn)承載能力，而且還改變了節(jié)點(diǎn)的耗能性能。

1節(jié)點(diǎn)設(shè)計

1.1裝配式節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù)

設(shè)計了兩種節(jié)點(diǎn)形式：rf（新型鋼結(jié)構(gòu)裝配式節(jié)點(diǎn)）、base（梁柱外伸端板節(jié)點(diǎn)），節(jié)點(diǎn)形式為外伸端板連接，節(jié)點(diǎn)尺寸參數(shù)，柱選用寬截面H鋼，柱長1540mm，柱截面：400mmx400mmxll mmx18mm，梁長選用窄截面H鋼，梁長1500mm，梁截面：400mmx200mmx8mmx13mm，梁與柱采用外伸端板連接，新型加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)為擴(kuò)大端板，端板長寬尺寸：640mmx400mm，常規(guī)節(jié)點(diǎn)端板長寬尺寸：640mmX200mm，兩種節(jié)點(diǎn)的形式和長寬尺寸信息見圖1.rf和base節(jié)點(diǎn)設(shè)置端板厚度對照，對照情況如下：basel、rfl-端板厚度15mm，base2、rf2-端板厚度25mm，螺栓選用10.9級的M24螺栓，兩種節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的端板定位和螺釘布置見圖2（a）、圖2（b），rf節(jié)點(diǎn)端板加強(qiáng)處尺寸見圖2（c）。

1.2節(jié)點(diǎn)試件材料的選取

根據(jù)該新型裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計和構(gòu)造要求，梁和柱選擇Q395鋼，焊縫采用E43型，模型中考慮焊縫與梁柱同強(qiáng)度，型材和焊縫的本構(gòu)關(guān)系見圖3（a），螺栓采用10.9級摩擦型高強(qiáng)螺栓，預(yù)拉力為225kN，摩擦系數(shù)為0.35.螺栓的本構(gòu)關(guān)系見圖3（b），材料的性能指標(biāo)見表1。

1.3有限元模型建立與網(wǎng)格劃分

因其節(jié)點(diǎn)內(nèi)梁柱腹板中心截面為對稱截面，梁柱節(jié)點(diǎn)與外部荷載都關(guān)于梁柱腹板中心對稱，所以，建立模型時可建立幾何模型的1/2模型，在對稱面中設(shè)置對稱荷載，在ansys后處理時可將1/2模型結(jié)果還原成整體的梁柱節(jié)點(diǎn)結(jié)果，在ansys模型中所有構(gòu)件都采用solidl85單元，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)（柱中部和梁端板處）網(wǎng)格較密，其中高強(qiáng)螺栓的網(wǎng)格尺寸為10mm，端板與柱中部的網(wǎng)格尺寸為20mm，其他部位網(wǎng)格劃分較為稀疏，base節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分見圖4（a），加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)因翼緣擴(kuò)大處的端部部位，不滿足映射網(wǎng)格劃分，因其solidl85單元雖為六面體單元，但可退化為四面體單元，可采用過渡金字塔單元形式，用四面體單元連接擴(kuò)大翼緣過渡處，rf節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分見圖4（b）。

1.4接觸問題

研究模型的柱翼緣與端板、螺栓桿與孔壁之間、端板和螺栓帽之間、柱與螺帽之間存在著4對接觸，通過在ansys中定義“接觸對”的方式考慮模型中構(gòu)件之間的相互接觸關(guān)系，

1.5邊界條件及加載制度

對柱上下端施加固接約束，對梁柱腹板中心面施加對稱荷載，節(jié)點(diǎn)模擬時的荷載施加順序結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行，首先施加螺栓預(yù)緊力，然后在梁端施加位移約束，梁端位移值為位移荷載，分別以單調(diào)遞增和循環(huán)往復(fù)兩種方式加載，單調(diào)遞增荷載加載至節(jié)點(diǎn)極限位移，當(dāng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的mises應(yīng)力值達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度時構(gòu)件破壞，即為極限荷載，循環(huán)往復(fù)荷載加載以每級往復(fù)兩次，例：0、-30、0、30、0、-30、0、30、0（mm），每級荷載增量30mm的方式加載，參考單調(diào)加載得到的極限位移值，來控制往復(fù)加載的等級數(shù)目，以base節(jié)點(diǎn)為例的邊界條件與荷載加載方式見圖5.循環(huán)荷載加載的等級參數(shù)見表2。

2有限元模擬結(jié)果

2.1破壞模式

由圖6（a）可知：basel的端板較薄，端板變形較大，變形處端板與柱分離，端板受力嚴(yán)重屈曲，端板變形可釋放一部分變形，由圖6（b）可知：basel和base2比較，端板給螺栓的撬力較大，構(gòu)件因?yàn)槁菟ㄟ_(dá)到材料的極限抗拉強(qiáng)度而破壞，螺栓mise應(yīng)力見圖6（b），由圖6（c）可知：base2在端板與梁端處應(yīng)力集中明顯，mise應(yīng)力在梁端焊縫處達(dá)到抗拉強(qiáng)度而破壞，由圖6（d）、圖6（e）可知：rfl端板變形較大，變形處端板與柱分離，端板發(fā)現(xiàn)明顯屈曲，梁端處塑性鉸外移，外移至梁擴(kuò)翼緣端部，并且在與梁翼緣連接的端板處應(yīng)力集中效果仍比較明顯，但基本能保證梁與端板協(xié)同工作，由圖6（f）可知：rf2在構(gòu)件破壞時，端板有較大剛度和強(qiáng)度，并未產(chǎn)生應(yīng)力集中，且梁柱節(jié)點(diǎn)塑性鉸外移至梁擴(kuò)翼緣端部，節(jié)點(diǎn)破壞時，擴(kuò)翼緣端部mise應(yīng)力值達(dá)到材料的強(qiáng)度極限，但節(jié)點(diǎn)核心域承載能力良好，保證了“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震性能。

根據(jù)base節(jié)點(diǎn)與rf節(jié)點(diǎn)破壞形式分析可知：保證適當(dāng)?shù)亩税搴穸?，能得到較高的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和承載能力，節(jié)點(diǎn)形式加強(qiáng)不只提高節(jié)點(diǎn)的承載性能，還改變了節(jié)點(diǎn)的破壞特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)破壞處遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)核心域，節(jié)點(diǎn)的承載能力比構(gòu)件承載能力要強(qiáng)，將端板外伸式節(jié)點(diǎn)由傳統(tǒng)的半剛性節(jié)點(diǎn)破壞特征變?yōu)閯傂怨?jié)點(diǎn)的破壞特征。

2.2單調(diào)加載的分析結(jié)果

由圖7（a）可知：適當(dāng)?shù)脑黾佣税搴穸饶芴嵘?jié)點(diǎn)承載力，其中base節(jié)點(diǎn)尤為明顯，rf2較rn因?yàn)槎税搴穸仍黾?，承載能力略微提升，通過加強(qiáng)構(gòu)件的荷載位移圖與常規(guī)構(gòu)件的荷載位移圖比較，rf2節(jié)點(diǎn)的極限位移為262mm，base2節(jié)點(diǎn)極限位移203mm，節(jié)點(diǎn)形式的改進(jìn)能顯著提升節(jié)點(diǎn)的變形性能，rf節(jié)點(diǎn)較base節(jié)點(diǎn)有更好的節(jié)點(diǎn)承載力，由圖7（b）、圖8分析：在EC3規(guī)范下對于連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行剛度評價和分析，EC3規(guī)范對節(jié)點(diǎn)劃分了3種類型：剛性節(jié)點(diǎn)、半剛性節(jié)點(diǎn)、鉸接節(jié)點(diǎn)，并提出了按節(jié)點(diǎn)剛度分類的量化規(guī)定，節(jié)點(diǎn)的初始剛度為Sj，ini，本文框架為無支撐框架，對于無支撐框架而言Sj，ini;≥25EIb/Lb=3.05×104kN·m/rad時，可以判定為剛性節(jié)點(diǎn);Sj，ini;≤0.5EIb/Lb=0.61×103kN·m/rad時，可以判定為鉸接節(jié)點(diǎn)，根據(jù)有限元分析結(jié)果可以得到rf2的節(jié)點(diǎn)剛度Sj.ini：5.83×104kN·m/rad，因此可知，通過EC3規(guī)范判定，在保證端板厚度的情況下，加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)為剛性節(jié)點(diǎn)。

2.3循環(huán)加載的分析結(jié)果

由圖9（a）可知：對于base節(jié)點(diǎn)，端板厚度是梁柱節(jié)點(diǎn)抗震耗能性能的決定因素，basel的滯回曲線呈現(xiàn)出反“s”形，相對basel節(jié)點(diǎn)，base2節(jié)點(diǎn)滯回曲線更為飽滿，能滿足半剛性節(jié)點(diǎn)有一定耗能性能的要求，由圖9（b）可知：對于rf節(jié)點(diǎn)，端板厚度的增大，在較小的往復(fù)荷載作用下影響效果并不明顯，但端板厚度適當(dāng)?shù)脑龃?，除了能提高?jié)點(diǎn)核心域的強(qiáng)度以外，還能略微提升節(jié)點(diǎn)變形能力，在rf破壞形式中對比可知，對于rf節(jié)點(diǎn)，端板厚度的增大，能改變由于端板較薄而導(dǎo)致的應(yīng)力集中的現(xiàn)象，端板厚度的增大，對于承載能力的影響比耗能性能的影響更大。

3抗震性能分析

根據(jù)有限元計算結(jié)果整理出梁柱外伸端板節(jié)點(diǎn)（base）和新型鋼結(jié)構(gòu)裝配式節(jié)點(diǎn)（rf）進(jìn)行對比，比較雙方的抗震性能指標(biāo)，分析計算得到結(jié)果如表3所示。

由表3可知：新型節(jié)點(diǎn)承載能力對比相同端板厚度情況下，rf2較base2增長了26.67%，rfl較basel增長了47.05%，可見在相同端板厚度情況，新型節(jié)點(diǎn)的承載能力有顯著提升，新型節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)對比相同端板厚度情況下，rf2較base2增長了29.17%，rfl較basel增長了87.29%，表明新型節(jié)點(diǎn)變形性能更優(yōu)，節(jié)點(diǎn)剛度更好，為裝配式的剛性梁柱節(jié)點(diǎn)，表格數(shù)據(jù)表明：新型節(jié)點(diǎn)較傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)有更好的承載能力、節(jié)點(diǎn)剛度、耗能性能。

4結(jié)論

通過有限元模擬分析，對比傳統(tǒng)外伸端板式節(jié)點(diǎn)與新型裝配式加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)在單調(diào)荷載和低周往復(fù)荷載作用下的受力性能，可以得出以下結(jié)論：

1）端板式節(jié)點(diǎn)的承載能力、剛度、耗能性能隨著端板厚度增大而增大，保證端板的厚度是端板式節(jié)點(diǎn)設(shè)計的前提。

2）新型節(jié)點(diǎn)的破壞模式有別于傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，塑性鉸外移至擴(kuò)翼緣端部，符合“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震理念。

3）由EC3歐洲規(guī)范下連接類別的規(guī)定和節(jié)點(diǎn)的破壞模式可知，新型節(jié)點(diǎn)為剛性節(jié)點(diǎn)。

4）在端板厚度選用適當(dāng)?shù)那闆r下，端板式節(jié)點(diǎn)的滯回曲線飽滿，而新型節(jié)點(diǎn)具有相對較優(yōu)越的抗震性能和良好的耗能能力。