鋼結(jié)構(gòu)螺栓節(jié)點(diǎn)力學(xué)特性敏感性分析

摘 要：鋼結(jié)構(gòu)螺栓節(jié)點(diǎn)受力特性一直是相關(guān)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段對(duì)其進(jìn)行研究，并對(duì)比了試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果的差異。結(jié)果表明：與試驗(yàn)結(jié)果相比，數(shù)值模擬結(jié)果在數(shù)值和變化趨勢(shì)上都較為接近，差幅在5%內(nèi)，證明本文建立的有限元數(shù)值模型是合理、有效的。剛度比參數(shù)對(duì)螺栓節(jié)點(diǎn)的影響主要體現(xiàn)在數(shù)值方面，并不改變其隨轉(zhuǎn)角的變化趨勢(shì)。節(jié)點(diǎn)彎矩與剛度比呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨剛度比增加而減少。轉(zhuǎn)角彎矩隨鋼材屈服剛度增加而減少，且位移持續(xù)減少。墊板厚度對(duì)螺栓節(jié)點(diǎn)彎矩影響較小，主要體現(xiàn)在墊板區(qū)域的受力分布方面。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；螺栓節(jié)點(diǎn)；剛度比；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TU 39 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著我國(guó)基建行業(yè)的發(fā)展和城市化的推進(jìn)，大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目越來(lái)越多。因此，針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和相關(guān)設(shè)計(jì)，許多研究人員進(jìn)行了一系列研究。

丁文其等[1]提出了波紋鋼結(jié)構(gòu)N-M-T（軸力-彎矩-溫度）曲面，對(duì)波紋鋼結(jié)構(gòu)在高溫下的壓彎性態(tài)進(jìn)行了研究。徐言等[2]提出一種膜材自動(dòng)脫落裝置的概念構(gòu)造設(shè)計(jì)，并利用數(shù)值計(jì)算方法探究了裝置夾角和抗拔深度對(duì)承載力的影響。謝甫哲等[3]對(duì)復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)多點(diǎn)同步提高施工與監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，分析了同步提高和不同步提高情況下結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。楊雪等[4]基于midas Gen軟件建立結(jié)構(gòu)整體單尺度模型及包括關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的多尺度模型，探討了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)等力學(xué)性能。趙躍港等[5]采用有限元數(shù)值模擬工具分析了3種不同施工方案，對(duì)比了不同方案對(duì)主體鋼結(jié)構(gòu)受力、變形及支撐結(jié)構(gòu)最大支反力的影響。劉勇等[6]采用數(shù)值模擬手段分析了地震荷載作用下不同節(jié)點(diǎn)的受力情況及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。

本文對(duì)室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬進(jìn)行了研究。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的有效性，并根據(jù)已驗(yàn)證的模型對(duì)影響鋼結(jié)構(gòu)螺栓節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的因素進(jìn)行了分析和討論。

1 試驗(yàn)概況

本文研究對(duì)象為鋼結(jié)構(gòu)新型柱-柱螺栓節(jié)點(diǎn)，內(nèi)框架柱下端的方形槽內(nèi)結(jié)構(gòu)由上至下依次為定位板、定位筒以及下端板。在下部模塊中，內(nèi)框架柱上端的方形槽內(nèi)則焊接有多個(gè)上端板，并設(shè)置墊塊于上下模塊之間（圖1）。梁柱截面尺寸均為150mm×150mm×8mm，其中，梁長(zhǎng)度為1.5m，柱長(zhǎng)度為1m，均為冷彎方鋼管柱。墊板和上端板厚度均為30mm，下端板厚度為15mm，斜加勁肋厚度為10mm。螺栓為45號(hào)鋼，其余材料鋼材均為Q235B，焊縫為E43。表1為鋼材的力學(xué)參數(shù)。

為探究柱在軸壓作用下內(nèi)置螺栓節(jié)點(diǎn)的抗彎性能，本文進(jìn)行抗彎試驗(yàn)研究。試驗(yàn)對(duì)象由四梁四柱連接而成，采用液壓千斤頂在梁兩端進(jìn)行同步對(duì)稱加載，加載方式由荷載控制。通過(guò)施加恒定壓力于柱頂模擬柱軸力，將軸壓荷載設(shè)為540kN。

2 有限元數(shù)值模型

2.1 模型建立

采用有限元數(shù)值模擬軟件進(jìn)行三維建模，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型有效性進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)內(nèi)置螺栓節(jié)點(diǎn)性能以及主要影響因素進(jìn)行探究。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)鋼材力學(xué)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行取值，將泊松比設(shè)為0.3，摩擦系數(shù)為0.2，屈服條件遵循mises屈服準(zhǔn)則。當(dāng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)螺栓節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理，共劃分93427個(gè)10節(jié)點(diǎn)有限元網(wǎng)格，圖1為該有限元模型的網(wǎng)格劃分情況。

在建模過(guò)程中，為提高計(jì)算效率，同時(shí)不影響計(jì)算精度，可以忽略定位板和定位筒設(shè)定，同時(shí)，將上端板設(shè)置為3塊，下端板為1塊。在接觸條件方面，將下端板與螺栓的接觸條件設(shè)置為滑移接觸，通過(guò)綁定連接模擬焊縫連接。在邊界條件方面，施加平面外約束于梁側(cè)面，通過(guò)預(yù)緊力固定螺栓，固定后在每個(gè)柱施加267kN的軸力，梁兩側(cè)加載方式為位移控制，加載位移為100mm。

2.2 模型驗(yàn)證

圖2為梁節(jié)點(diǎn)彎矩隨轉(zhuǎn)角的變化曲線對(duì)比情況。從圖中可以看出，在試驗(yàn)工況中，當(dāng)轉(zhuǎn)角小于0.02rad時(shí)，隨著梁轉(zhuǎn)角增加，節(jié)點(diǎn)彎矩呈現(xiàn)線性增加變化趨勢(shì)，當(dāng)轉(zhuǎn)角超過(guò)0.02rad時(shí)，彎矩隨轉(zhuǎn)角增加速率大幅下降，增加速度較為緩慢，表明此時(shí)材料已進(jìn)入強(qiáng)化階段，其峰值彎矩達(dá)到172.4kN?m，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角約為0.04rad。

與試驗(yàn)結(jié)果相比，數(shù)值模擬結(jié)果在數(shù)值和變化趨勢(shì)上都較為接近，說(shuō)明本文建立的鋼結(jié)構(gòu)螺栓節(jié)點(diǎn)力學(xué)分析模型的合理、有效性。在進(jìn)入強(qiáng)化階段后，彎矩?cái)?shù)值模擬計(jì)算結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果略大，在轉(zhuǎn)角為0.04rad的工況下，彎矩試驗(yàn)結(jié)果為176.7kN?m，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果為182.1kN?m，差值約為3.1%。在數(shù)值模擬中仍存在一系列理想化假定，例如本構(gòu)計(jì)算模型和變形約束條件假定以及未考慮材料的各向異性等，但整體而言，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果差幅在5%以內(nèi)。本文建立的數(shù)值模型是研究鋼結(jié)構(gòu)螺栓節(jié)點(diǎn)力學(xué)特性的有效工具。

3 結(jié)果分析與討論

采用研究模型對(duì)鋼結(jié)構(gòu)螺栓節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響因素進(jìn)行探究，包括上下梁剛度比、鋼材屈服強(qiáng)度和墊板厚度，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)照模擬。初始條件的上下梁剛度比為1.0、鋼材屈服強(qiáng)度為309MPa，墊板厚度為30mm。

3.1 剛度比影響

圖3為5種不同地板梁、天花板梁剛度比工況下鋼結(jié)構(gòu)螺栓節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角-彎矩變化曲線。從圖中可以看出，不同剛度比工況下的節(jié)點(diǎn)彎矩隨轉(zhuǎn)角的變化趨勢(shì)基本一致，當(dāng)前期轉(zhuǎn)角小于0.02rad時(shí)，隨著梁轉(zhuǎn)角增加，節(jié)點(diǎn)彎矩呈線性，當(dāng)轉(zhuǎn)角超過(guò)0.02rad時(shí)，曲線變緩，各工況差異主要為數(shù)值差異。隨著地板梁與天花板梁剛度比增加，相同節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角工況下的彎矩隨之變小，節(jié)點(diǎn)彎矩與剛度比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在剛度比為1.0的工況下，轉(zhuǎn)角0.02rad時(shí)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)彎矩為251.2kN?m，在剛度比為1.5的工況下，轉(zhuǎn)角0.02rad時(shí)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)彎矩為228.1kN?m，比前者減少了9.2%；在剛度比為2.0工況下，轉(zhuǎn)角0.02rad時(shí)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)彎矩為204.3kN?m，比前者減少了10.4%，在剛度比為2.5的工況下，轉(zhuǎn)角0.02rad時(shí)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)彎矩為184.5kN?m，比前者減少了9.7%，在剛度比為3.5的工況下，轉(zhuǎn)角0.02rad時(shí)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)彎矩為154.7kN?m，比前者減少了16.2%。

表2為5種工況下初始抗彎強(qiáng)度、屈服彎矩和塑性彎矩的變化情況。從表2可以看出，增加地板梁與天花板梁的剛度比會(huì)使節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力明顯提高，但與此同時(shí)，隨著地板梁高度增加，下柱的塑性區(qū)范圍也隨之變大，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成影響。

3.2 屈服強(qiáng)度影響

圖4為兩種不同鋼材屈服強(qiáng)度工況下的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角-彎矩曲線，分別為Q235鋼和Q345鋼，屈服強(qiáng)度分別為309MPa和400MPa。從圖中可以看出，隨著鋼材屈服強(qiáng)度增加，相同轉(zhuǎn)角位移條件下轉(zhuǎn)角彎矩減少，鋼材屈服強(qiáng)度與節(jié)點(diǎn)彎矩呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，鋼材彈性變化階段亦存在差異，隨著鋼材屈服強(qiáng)度增加，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角-彎矩線性變化階段持續(xù)位移減少，即當(dāng)位移較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)彎矩就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，隨著節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角增加彎矩增加緩慢或不再增加。在Q235鋼材工況下，節(jié)點(diǎn)彎矩峰值達(dá)到了226kN?m。在Q345鋼材工況下，節(jié)點(diǎn)彎矩峰值為178kN?m，比前者降低了21.2%，由此可見，鋼材屈服強(qiáng)度對(duì)螺栓節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能也有較為明顯的影響。

表3為2種工況下初始抗彎強(qiáng)度、屈服彎矩和塑性彎矩的變化情況。從表3可以看出，兩種工況下螺栓節(jié)點(diǎn)初始抗彎剛度完全一致，主要差異在節(jié)點(diǎn)屈服彎矩和塑性彎矩方面。在Q235鋼材工況下，螺栓節(jié)點(diǎn)屈服彎矩為151.4kN?m，塑性彎矩為176.8kN?m，在Q345鋼材工況下，螺栓節(jié)點(diǎn)屈服彎矩為212.6kN?m，塑性彎矩為227.6kN?m，比前者分別增加了40.4%和28.4%。這也驗(yàn)證了上述分析結(jié)論，即鋼材屈服強(qiáng)度對(duì)螺栓節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能也有較為明顯的影響，具體體現(xiàn)在屈服彎矩和塑性彎矩方面。

3.3 墊板厚度的影響

圖5為不同墊板厚度工況下的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角-彎矩曲線。從圖中可以看出，與上下梁剛度比和屈服強(qiáng)度相比，墊板厚度影響較小。在3種工況下，螺栓節(jié)點(diǎn)彎矩隨轉(zhuǎn)角變化趨勢(shì)基本一致，先線性增加后逐步穩(wěn)定，主要差異為數(shù)值差異。在相同轉(zhuǎn)角條件下，墊板厚度越大對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)彎矩越大，同時(shí)節(jié)點(diǎn)剛度、屈服彎矩和塑性彎矩也越大，但差異較小。表明墊板厚度主要是對(duì)墊板區(qū)域的受力情況有較為明顯的影響。

4 結(jié)論

為研究鋼結(jié)構(gòu)螺栓節(jié)點(diǎn)力學(xué)特性和相關(guān)影響因素，本文通過(guò)加載試驗(yàn)和數(shù)值仿真模擬，驗(yàn)證了數(shù)值模型的有效性，同時(shí)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)螺栓節(jié)點(diǎn)力學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行探究。得出以下結(jié)論。1）不同剛度比工況下的螺栓節(jié)點(diǎn)彎矩隨轉(zhuǎn)角的變化趨勢(shì)基本一致，當(dāng)轉(zhuǎn)角超過(guò)0.02rad時(shí)，曲線變緩，各工況差異主要為數(shù)值差異。隨著地板梁與天花板梁剛度比增加，相同節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角工況下彎矩隨之減少，節(jié)點(diǎn)彎矩與剛度比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。2）隨著鋼材屈服強(qiáng)度增加，相同轉(zhuǎn)角位移條件下轉(zhuǎn)角彎矩減少，鋼材屈服強(qiáng)度與節(jié)點(diǎn)彎矩大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。鋼材彈性變化階段亦存在差異，隨著鋼材屈服強(qiáng)度增加，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角-彎矩線性變化階段位移持續(xù)減少。3）與上下梁剛度比和屈服強(qiáng)度相比，墊板厚度對(duì)其影響較小。墊板厚度主要是對(duì)墊板區(qū)域的受力情況有較為明顯的影響。

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