带悬臂梁段拼接的梁柱连接有限元分析

带悬臂梁段拼接的梁柱连接有限元分析
周 殿 文1  金 丽 萍1  贠 航2
 （1.中冶华天工程技术有限公司，马鞍山，243005；2. 中联西北工程设计研究院，西安，710082）
摘要：在考虑几何、材料、状态三重非线性的基础上，对此类节点钢梁拼接节点承载力不同的两个试件进行了精细的三维非线性有限元分析，得出了此类节点在单向荷载作用下的P-Δ曲线和在循环荷载下的滞回曲线，并将此类节点的性能与无拼接节点的刚性梁柱连接的性能进行了对比。结果表明，拼接节点承载力较低的此类节点有良好的延性、塑性转动能力和耗能能力。
关键词：带悬臂梁段拼接的梁柱连接；高强螺栓；塑性铰
Finite element analysis for beam-to-column connection
with cantilever beam bolted-splicing
 Zhou Dian-wen  Jin Li-ping  Yun Hang
（1.HuaTian Engineering&Technology Corporation,MCC ,Ma''''anshan,243005；
2. China United Northwest Institute for Engineering Design & Research，Xi''''an, 710082）
Abstract: Based on geometry, material and state triple-nonlinear two specimens of this kind of connection are analyzed using finite element method; the beam-to-beam splicing connection bearing capacity is different of these two specimens. From finite element analysis get the P-Δcurves and hysteretic loops of this kind of connection. Through compared the performance under forces of this kind of connection and no cantilever beam splicing beam-to-column rigid connection, found that this kind of connection which the bearing capacity of beam-to-beam splicing connection is lower, have a good ductility, plastic rotational capacity and energy dissipation capacity.
Keywords:  beam-to-column connection with cantilever beam bolted-splicing; high-strength; plastic hinge;
 
 
 带悬臂梁段高强螺栓拼接的刚性钢框架梁柱连接（见图1），在美国和日本的多高层房屋和工业厂房中应用广泛，也是我国高层钢结构技术规程和建筑抗震设计规范的推荐形式。这种连接悬臂梁段在工厂焊接，梁的拼接在工地高强螺栓连接，具有耗能能力好、塑性转动能力强等优点。目前对此种节点的研究较少，其抗震优势也没有得到应有的发挥，本文通过有限元模拟，对此种节点进行了研究，分析了其延性、塑性转动能力和耗能能力等特性。
试件设计
 本文设计了三个试件即试件SD1、SJ1和试件SW1，试件的尺寸见图2，梁的截面尺寸见图3，柱截面尺寸为H400mm×300mm×10mm×16mm。试件SD1和SJ1是带悬臂梁段拼接的梁柱连接，其中试件SD1钢梁拼接节点是按等强设计法设计的，即断开截面翼缘和腹板的拼接材料所能传递的力不
  
 低于梁翼缘和腹板所能传递的最大内力，其翼缘、腹板拼接板尺寸以及螺栓布置见图4，翼缘拼接板厚12mm,腹板拼接板厚8mm；试件SJ1其钢梁拼接节点设计是在试件SD1的基础上将拼接板减薄，将拼接螺栓减少得到的，即其钢梁拼接节点承载力不满足等强设计的要求，试件SJ1的翼缘、腹板拼接板尺寸以及拼接螺栓布置见图5，翼缘拼接板厚5mm,腹板拼接板厚6mm。
  试件SW1为无拼接节点的梁柱刚性连接。拼接螺栓采用10.9级M20摩擦型高强螺栓，螺栓预拉力按设计规范取155kN，摩擦系数取0.3，螺栓孔直径为21.5mm，梁柱钢材采用Q345。

有限元模拟方法
 
 试件的有限元模拟采用通用有限元分析软件ANSYS进行，梁、柱、螺栓等实体采用8节点6面体单元SOLID45模拟，螺栓预拉力的施加采用预拉力单元PRETS179单元模拟，考虑拼接板与梁翼缘、腹板以及螺栓帽（头）与板之间的摩擦作用，考虑螺栓杆与孔壁之间的接触作用，所有接触均选用面-面和柔体-柔体的接触形式，按照接触对的定义原则，将较厚的板定义为目标面，较薄的板定义为接触面；将螺栓孔壁定义为目标面，将螺栓杆定义为接触面；将螺栓头、螺栓帽定义为目标面；将螺栓头、螺栓帽下面的板定义为接触面。所有目标面用TARGE170单元模拟，接触面用CONTA174单元模拟。为了节约计算时间，将试件沿梁高方向的腹板中心线取对称，仅模拟一半。梁柱板材及高强螺栓均采用多线性随动强化模型，所有材料弹性模量E为2.06×105MPa, 取极限荷载点与屈服点连线的斜率为强化模量H，则钢材的强化模量H=903.8MPa，泊松比为0.3，采用Von Mises屈服准则，钢材的屈服强度取为,极限强度,屈服应变=0.17%，极限应变=14%。钢材的本构关系曲线见图6。高强螺栓屈服强度取为,极限强度,屈服应变=0.51%，极限应变=13.6%，强化模量的取法与钢材相同H=886.2MPa。试件约束条件为：将试件柱脚固定，柱端施加约束X、Y方向的约束，在刨开的腹板对称面上施加对称约束。计算时考虑几何、材料、状态非线性，荷载以位移的方式施加，将梁悬臂端截面上的所有节点的竖向位移耦合，在耦合中心点上施加竖向位移。图7为试件节点核心区的网格划分结果。模拟结果分析本论文由论文同学网()整理，更多论文，请点论文格式范文查看
 图8为试件在单向荷载作用下的荷载-位移曲线，图9为试件滞回曲线，表1为试件有限元计算结果。图、表中符号：P为梁端集中力；Δ为梁端竖向位移；M为节点弯矩，,为悬臂梁长度；为梁端最大竖向承载力；为节点最大承载力弯矩；为节点转角；为节点塑性转角，为梁弹性转动刚度，由弹性阶段的梁端弯矩除以梁端转角获得；为单向荷载下节点最大转角；为节点最大塑性转角；为循环荷载下节点最大转角；延性系数；为功比指数；为节点初始转动刚度。
 从图8可以看出试件SD1的曲线与试件SW1的曲线基本重合，这说明按等强设计法设计的带悬臂梁段高强螺栓拼接的梁柱连接的性能与无拼接节点梁柱连接的性能很接近，可以达到等强的目的。从图8和表1 可知，试件SJ1的刚度小于试件SD1和试件SW1,其初始转动刚度为试件SD1和SW1初始转动刚度的86%，但其延性确大大增加，试件SJ1的最大梁端位移分别为试件SW1和SD1的1.38倍和1.17倍。从表1可知虽然试件SJ1的刚度有所降低但其极限承载力较试件SD1和SW1并没有减小。
 从图9试件的M-θ滞回曲线和M-θp滞回曲线可以看出各试件的滞回曲线均呈饱满的梭形，滞回曲线没有出现捏拢现象，因此试件的耗能能力较好。试件耗能能力的好坏可以通过滞回曲线包络线的面积S和等效粘滞阻尼系数he来衡量，也可以通过功比指数来衡量，本文就是通过功比指数来衡量构件的耗能能力。功比指数的计算方法为：
 
式中：，为第次循环时卸载点的荷载和位移值；，为屈服时荷载和位移值。从表1可以看出试件SJ1的功比指数大于试件SD1和SW1的功比指数， 试件SJ1的功比指数是试件SW1的1.1倍，是试件SD1的1.08倍，因此试件SJ1的耗能能力好于试件SD1和SW1。

 试件
编号 (kN) (kN.m) (rad) (rad) (rad)  Δu
 (mm)  （104kN.m/rad）
SJ1 207.12 517.81  0.11  0.08 0.065  275 75.6  3.29
SW1 207.74 519.36  0.08  0.072 0.056 200 68.7  3.82
SD1 209.10 522.75  0.094  0.07 0.06 235 70.1  3.81
 
 
 图10为试件破坏时节点核心区的MISES应力图。从图中可以看出各试件柱的应力都是在梁柱节点核心区的应力最大，离核心区越远应力越小。梁的应力对试件SD1和SW1来说也是距离梁柱节点核心区越近应力越大，离梁柱节点核心区越远应力越小，但是试件SJ1并不是离梁柱节点核心区越远应力越小，在梁拼接节点处应力也较大，基本达到屈服。因此试件SJ1可以利用拼接板的屈服来耗能，减少能量向粱柱节点的传输，其耗能能力优于SD1和SW1。
 
 结论
从以上的模拟和分析可以得到以下结论：
 （1）钢梁拼接节点按等强设计法设计的带悬臂梁段拼接的梁柱连接，其性能与无拼接节点的梁柱连接的性能很接近，可以达到等强的目的；
 （2）带悬臂梁段拼接的梁柱连接若将梁拼接节点的承载能力适当降低，其刚度有所减小，但其极限承载力并不降低，其延性、转动能力以及耗能能力都有所增加，因此建议将此类节点的钢梁拼接节点的承载力适当降低，利用拼接节点的屈服和拼接板的屈曲耗能来减少能量向梁柱焊接节点的传输，防止梁柱焊接节点在大震下由于焊缝变形能力不足，发生脆性断裂。
 

 参考文献：
 [1] 《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）.北京.中国建筑工业出版社.2001
 [2] 《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98）.北京.中国建筑工业出版社.1998
 [3] 周殿文.树状柱框架钢梁拼接处产生塑性铰的设计方法研究.硕士学位论文.西安建筑科技大学.2008
 [4]  李启才，苏明周，顾强，陈爱国.带悬臂梁段拼接的梁柱连接循环荷载试验研究.建筑结构学报，2003，24
（4）：54-59

 [5] 李启才，顾强，苏明周，陈爱国.带悬臂梁段拼接的梁柱连接节点试验分析.工业建筑，2004，34（6）：74-76
 [6] 夏军武，常鸿飞.钢框架柱带悬臂梁段拼接节点的弹塑性分析.中国矿业大学学报，2006，35（5）：596-601
 [7] 李启才，顾强.树状柱框架中钢梁拼接的抗震设计有限元模拟对比.苏州科技学院学报（工程技术版），2006，19（2）：1-5