梁端翼缘扩大型梁柱节点受力性能*
杨璐, 陈虹
沈阳工业大学 建筑与土木工程学院, 沈阳 110870

作者简介: 杨 璐(1973-),女,山东掖县人,教授,博士,主要从事混凝土弹塑性损伤本构和ABAQUS数值模拟等方面的研究.

摘要

为了研究不同形状参数下梁端翼缘加强板对梁端翼缘扩大型梁柱节点的影响,分析了不同形状的梁端扩大翼缘形状最优方案.基于梁端强度相同的准则,改变其翼缘加强板的形状,设计了三种形状的梁端翼缘扩大型梁柱节点.利用有限元分析软件ABAQUS建立了不同形状参数下的有限元分析模型,研究在静载作用下节点的力学特征,对比分析不同材料参数的扩翼对梁端翼缘扩大型节点性能的影响程度.结果表明,不同扩翼形状对节点承载力水平影响并不显著,而对节点处应力分布影响较大;扩翼强度对节点的受力性能影响不大.

关键词: 有限元分析; 参数分析; 梁端翼缘扩大型梁柱节点; 翼缘板参数; 数值研究; 静载; 对比分析; 荷载-位移曲线
中图分类号:TU391 文献标志码:A 文章编号:1000-1646(2017)04-0459-05 doi: 10.7688/j.issn.1000-1646.2017.04.19
Mechanical performance of beam-column joint with widened beam flange
YANG Lu, CHEN Hong
School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China
Abstract

In order to study the influence of beam flange stiffening plate with different shape parameters on the beam-column joint with widened beam flange, the optimal shape scheme for the beam widened flange with different shapes was analyzed. Based on the same beam strength criteria and through changing the shape of flange stiffening plate, the beam-column joint with widened beam flange with three shapes was designed. With the finite element analysis software ABAQUS, the finite element analysis model with different shape parameters was established. In addition, the mechanical properties of the joint under the action of static load were investigated, and the effect of flange with different material parameters on the properties of beam-column joint with widened beam flange was compared and analyzed. The results show that the different shapes of widened flange have no obvious influence on the bearing capacity level of the joint, but possess a great influence on the stress distribution at the joint. Furthermore, the strength of widened flange has a little influence on the mechanical properties of the joint.

Keyword: finite element analysis; parametric analysis; beam-column joint with widened beam flange; parameter for flange plate; numerical study; static load; contrastive analysis; load-displacement curve

节点的可靠度设计作为钢结构体系设计过程中重要的考虑因素, 是结构设计人员一直遵循的设计准则.然而由于钢结构梁柱节点在地震和飓风等自然灾害的作用下, 其节点连接区域塑性铰的出现极大地影响了节点的使用性能, 给结构的抗震能力带来了安全隐患[1], 并且梁柱连接节点处的应力集中现象一直是结构设计人员在节点设计时的关键问题.因此, 通过合理地利用梁端扩翼使梁端塑性铰外移, 解决梁柱节点在承受反复荷载时梁端出现塑性铰, 以及节点柱与节点梁连接部位出现应力集中的问题, 这种新型钢结构梁柱节点被运用到工程实际中, 即梁端翼缘扩大型节点.国内外学者对此种节点的受力性能进行了大量的研究, 并取得了较多的理论及试验成果[2, 3, 4, 5, 6].王玉田[7]系统地研究了梁端翼缘扩大型钢框架的耗能能力、抗震机理以及梁柱连接节点的抗震性能, 通过拟动力试验方法, 研究了基于梁端翼缘扩大型连接的大比例钢框架动力反应和抗震性能; 刘芸等[8]对侧板加强型节点连接焊缝发生断裂的可能性进行了研究, 并基于焊接残余应力对指定路径的断裂指标分布规律进行了研究; 马辉[9]建立了扩翼型和侧板加强型节点的三维有限元模型, 采用ANSYS有限元分析软件对试验模型进行了循环荷载下的有限元计算, 分别对扩翼型节点和侧板加强型节点建模进行了循环荷载下的三维非线性有限元分析.上述学者对翼缘扩大型节点的抗震性能进行了详细研究, 但对节点材料及扩翼形式并未进行深入研究.因此, 本文在此基础上研究了翼缘扩大型梁柱节点的扩翼在不同材料性质及不同形状下对节点受力性能的影响程度, 进而研究最优的节点梁端翼缘增加板的材料匹配及尺寸优选, 为实际工程中翼缘扩大型梁柱节点的应用提供了参考.

1 节点设计

为了深入研究节点在受力过程中各部分所受应力的大小及变化规律, 本文参照《钢结构设计规范》[10]设计了四种钢结构梁柱节点构造形式, 其中, 梁柱的尺寸分别为H450mm× 250mm× 8mm× 16mm和H300mm× 120mm× 8mm× 12mm.三种扩大翼缘节点连接构造形式为:扩翼与梁上下翼缘焊接, 得到的扩大翼缘板与柱上加强板焊接, 梁端腹板与焊接于柱翼缘上的连接板采用高强螺栓连接; 为了保证节点区域拥有足够的强度和刚度, 在与梁相连的柱翼缘板内侧设置加劲肋板, 肋的厚度与翼缘厚度相同; 螺栓采用8.8级摩擦型高强螺栓.普通节点为连接板通过螺栓连接.四种节点分别编号为FPC1、FPC2、FPC3和GN1.基于各参数的分析试件如表1所示.图1为四种节点构造示意图(单位:mm).

表1 试件参数 Tab.1 Specimen parameters

图1 四种节点构造示意图Fig.1 Schematic structure for four kinds of joints

采用分离组合式方法建立梁柱节点有限元模型.单元类型均为实体单元C3D8R.为了保证钢材模拟的准确性和有效性, 钢材本构采用线性弹塑性力学强化模型.采用TIE定义扩翼、梁端翼缘、柱腹板、柱肋板、连接板和柱翼缘之间的焊接连接接触关系; 考虑材料性质与实际受力情况, 螺栓、连接板、柱翼缘和梁腹板之间的接触关系设置为硬接触, 同时设置钢材之间的摩擦系数为0.3.节点的计算简图如图2所示, 其中, FN为柱轴向荷载, 轴压比为0.3.梁端采用位移加载, 近似取梁端转角代替层间位移角.节点有限元模型如图3所示.

图2 节点计算简图Fig.2 Simplified calculation diagram for joint

图3 四种节点有限元模型Fig.3 Finite element models for four kinds of joints

2 有限元模拟结果

荷载-位移曲线是表征节点受力性能的重要指标.本文以四种节点的荷载-位移曲线以及破坏阶段节点梁端应力分布作为研究的重点, 研究了节点在相同梁端位移加载下的受力性能.

2.1 扩翼强度对节点受力性能的影响

图4为三种节点在相同载荷下的荷载-位移曲线.由图4中曲线的变化可得, 随着扩翼强度的增加, 节点所承受的荷载并未增大, 三条曲线基本重合, 表明了三种强度的扩翼对节点的受力性能影响很小.为了研究节点在扩翼强度不同时节点区域的应力变化, 有必要对三种节点在最终破坏时节点的应力分布进行分析.以试件FPC2为例, 在不同扩翼强度下的节点应力分布情况如图5所示.从图5可以看出, 节点在随着扩翼强度增加时, 扩翼所承受的应力增大, 但扩翼并未充分发挥其强度.梁节点塑性铰出现区域均集中在远离节点区域的扩翼端部.

图4 不同扩翼强度下三种节点的荷载-位移曲线Fig.4 Load-displacement curves for three kinds of joints with different widened flange strengths

图5 三种扩翼强度下FPC2梁端应力云图Fig.5 Stress nephogram at end of FPC2 beam with three widened flange strengths

2.2 扩翼形状对节点性能的影响

为了得到扩翼形状对节点的影响规律, 选取了三种平面形状的扩翼, 分别为矩形、梯形和三角形.分别对三种扩翼形状下的节点进行位移加载, 得到节点的荷载-位移曲线.图6为相同扩翼强度下不同扩翼形状的节点荷载-位移曲线.从图6可以看出, 三种扩翼强度下, 扩翼形状对节点的受力性能具有较大影响.以扩翼强度为Q195为例, 在加载初期, 三种形状的扩翼节点的荷载-位移曲线基本重合; 当节点承受的荷载达到60kN时, 随着梁端位移的不断增加, 节点荷载-位移曲线斜率开始发生变化, 节点所受荷载呈非线性增长.此时, 节点开始进入塑性变形阶段, 表明节点的实际承载力与扩翼形状有一定的联系, 但并不显著.为了研究节点在破坏阶段的应力分布, 有必要对节点域的梁端应力分布进行研究.图7为四种节点破坏阶段应力云图.从图7可以看出, 节点在位移加载末期, 节点梁端与柱焊接连接处以及上下螺栓孔处均出现应力集中, 其中, 模型FPC1、FPC2和FPC3的梁端塑性铰出现区域为扩翼远离节点域的端部, 模型GN1的塑性铰则出现在梁端, 由此可知, 扩翼形状对节点域的受力性能具有一定影响, 但并不显著, 扩翼能够有效地使塑性铰位置向梁跨中转移.

图6 三种扩翼形状荷载-位移曲线Fig.6 Load-displacement curves for widened flange with three shapes

图7 四种节点应力云图Fig.7 Stress nephogram for four kinds of joints

3 结 论

本文通过对不同扩翼参数下的节点进行有限元模拟分析, 对比分析了三种节点的受力性能, 并与非扩翼型节点进行了对比分析, 得出以下结论:

1) 翼缘扩大型梁柱节点能够有效地使梁端塑性铰出现区域向梁跨中转移, 避免由于塑性铰的出现导致节点柱发生破坏;

2) 节点梁根部翼缘与腹板交接处存在复杂的三向应力状态, 应力集中现象严重, 合理采用扩翼材料能够有效地分配节点梁端出现的应力集中区域;

3) 根据参数分析可知, 扩翼强度及形状的变化对节点的受力性能影响不大, 但对节点处应力分布影响显著, 扩翼形状对节点的受力性能亦具有较大影响.

The authors have declared that no competing interests exist.

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