劉洪波,趙文軍,魏振興,霍振興,柳艷杰,孫 靜,呂興群

(1.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150080;2.中國石油東北煉化工程有限公司 吉林設(shè)計(jì)院,吉林 132002;3.吉林省建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,長春 130011)

0 引 言

端板連接的鋼框架梁柱組合節(jié)點(diǎn),以其構(gòu)造簡單、受力性能好等優(yōu)點(diǎn)在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。部分端板連接的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)可以作為端板連接的特例,其構(gòu)造更為簡單。傳統(tǒng)上一直以鉸接的理想假定對其進(jìn)行剛度及承載力分析,而實(shí)際上這種理想假定是很難實(shí)現(xiàn)的,特別是考慮樓板對其影響時(shí),剛度和承載力都會(huì)大幅提高,其力學(xué)分析模型應(yīng)該是一種半剛性連接形式[1-2]。

本文將在前人對于半剛性節(jié)點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上,針對部分端板連接組合節(jié)點(diǎn)的特殊形式,著重考慮樓板參與工作對節(jié)點(diǎn)性能的影響,并探討各影響因素對于這一節(jié)點(diǎn)形式的影響規(guī)律。

1 有限元模型建立

部分端板連接組合節(jié)點(diǎn)采用三維實(shí)體模型建立。使用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析時(shí),鋼構(gòu)件(梁、柱、端板及螺栓)用SOLID45單元模擬;樓板用SOLID65單元模擬,采用整體式模型考慮鋼筋性能,并設(shè)定混凝土受拉開裂后退出工作;混凝土和鋼材采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化 (BKIN)模型,為加強(qiáng)模型計(jì)算收斂,鋼材達(dá)到屈服強(qiáng)度后考慮5/ 1 000倍彈性模量的應(yīng)力強(qiáng)化,混凝土采用多線性等向強(qiáng)化(MISO)模型;端板與柱翼緣、螺栓側(cè)壁與螺栓孔以及樓板與鋼梁之間的接觸采用TARGE170和CONTA173單元模擬;此外,采用PRETS179單元模擬高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力。

為了驗(yàn)證本文有限元模型建立方法的可應(yīng)用性,建立文獻(xiàn) [3]所介紹試驗(yàn)的有限元模型,并與其結(jié)果進(jìn)行比較。圖1為有限元計(jì)算與試驗(yàn)所得的彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線,由圖1可見,本文所建模型可以很好地模擬部分端板連接組合節(jié)點(diǎn)的性能。

圖1 有限元與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比Fig.1 Comparison between measured and computed

2 參數(shù)分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)試件參數(shù)

進(jìn)行ANSYS有限元分析,需要變換構(gòu)件參數(shù),選取一個(gè)變換參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)模型試件可減少計(jì)算,有利于分析對比。本文選取 “標(biāo)準(zhǔn)試件”各構(gòu)件幾何及材料特征見表1,幾何尺寸示意圖見圖2。本文暫不研究剪力栓釘作用,不對栓釘作特殊規(guī)定,其特性與試驗(yàn)一致,按全部強(qiáng)度設(shè)計(jì)。根據(jù)《歐洲規(guī)范》,樓板寬度取3倍鋼梁高度。

對于節(jié)點(diǎn)性能的分析以上述試件為基準(zhǔn),變換適當(dāng)參數(shù)進(jìn)行。為此,將上述節(jié)點(diǎn)定義為 “標(biāo)準(zhǔn)試件”或稱為 “1號(hào)試件”,在下面各組分析中分別以 “A1、B1、C1……”表示。

表1 “標(biāo)準(zhǔn)試件”特性參數(shù)Table 1 Properties of members

圖2 “標(biāo)準(zhǔn)試件”構(gòu)造特征Fig.2 Details of members

2.2 樓板配筋率的影響

針對節(jié)點(diǎn)配筋率的研究,變換不同配筋率設(shè)計(jì)A組共計(jì)4個(gè)試件,A1～A4對應(yīng)配筋率分別為0.008 6、0.012 8、0.017 8、0.023 7。

A組試件彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系見圖3(a),從圖中可以看出,節(jié)點(diǎn)的初始剛度、彈性抗彎承載力和塑性抗彎承載力均隨著鋼筋直徑的增加而增加。

從A4與A1的比較可知,配筋率提高175.6%,初始剛度提高59.4%,強(qiáng)化剛度提高24.2%,彈性彎矩提高153.0%,塑性彎矩提高104.0%?？梢?配筋率的變化對于強(qiáng)度和剛度的影響都很顯著,是提高強(qiáng)度和剛度的有效辦法。雖然在配筋率的影響下,節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)化剛度有提高,但由于基數(shù)小,其對節(jié)點(diǎn)性能的影響很小。

2.3 鋼筋屈服強(qiáng)度的影響

針對于節(jié)點(diǎn)鋼筋種類的研究,變換不同鋼筋種類設(shè)計(jì)B組共計(jì)3個(gè)試件,B1～B3分別對應(yīng)屈服強(qiáng)度235、335、400 MPa。

B組試件彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系見圖3(b),由圖 3 (b)可見,節(jié)點(diǎn)的彈性抗彎承載力和塑性抗彎承載力均隨鋼筋強(qiáng)度提高而增加。但節(jié)點(diǎn)的剛度變化不大。

從B3與B1的比較可知,鋼筋強(qiáng)度提高70.2%,彈性彎矩提高57.5%,塑性彎矩提高47.8%?？梢?鋼筋強(qiáng)度的變化對于節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的影響顯著,是提高節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的有效辦法。

2.4 樓板混凝土強(qiáng)度等級(jí)的影響

作為樓板性能的又一重要影響因素,混凝土作用不可忽視。選取建筑樓板中常用的4種混凝土類型設(shè)計(jì)C組4個(gè)試件,C1～C4分別對應(yīng)C20、C25、C30、C35。4個(gè)試件節(jié)點(diǎn)彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系見圖3(c),由圖3(c)可見,混凝土的強(qiáng)度等級(jí)對節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和剛度的影響都不大。這主要是因?yàn)榛炷潦芾瓡?huì)在早期退出工作。

2.5 梁柱屈服強(qiáng)度的影響

梁柱鋼材的屈服強(qiáng)度,對中和軸的位置,節(jié)點(diǎn)的破壞模式都有影響。選取建筑鋼材中常用的4種強(qiáng)度設(shè)計(jì)D組4個(gè)試件,D1～D4分別對應(yīng)Q345、Q235、Q390、Q420。

4個(gè)試件節(jié)點(diǎn)彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系見圖3(d),由圖3(d)可見,隨著鋼材屈服強(qiáng)度的提高,節(jié)點(diǎn)的剛度沒有較明顯的變化,節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度略有增長。

從D4與D2的比較可知,鋼材的屈服強(qiáng)度提高78.7%,塑性彎矩僅提高8.0%。可見,鋼材的屈服強(qiáng)度對節(jié)點(diǎn)承載力影響不大。這主要是由于節(jié)點(diǎn)的破壞模式主要是鋼筋和螺栓區(qū)域的屈服,梁柱鋼材強(qiáng)度的提高只能使螺栓區(qū)域的屈服進(jìn)一步發(fā)展,對承載力的影響顯然會(huì)小。這樣,在設(shè)計(jì)中,破壞模式一般不依賴于梁柱強(qiáng)度,Q235鋼材已經(jīng)能夠基本滿足節(jié)點(diǎn)承載力需要。

2.6 鋼梁截面高度的影響

鋼梁的截面高度,對中和軸的位置會(huì)有顯著影響,進(jìn)而影響到節(jié)點(diǎn)的破壞模式。在型鋼梁HM300×150基礎(chǔ)上,變換梁高設(shè)計(jì)了E組4個(gè)試件,E1～E4分別對應(yīng)梁高300、250、350、400 mm。

元人作劇，曲中用事，每不拘時(shí)代先后。馬東籬《三醉岳陽樓》，賦呂純陽事也?！炯纳荨壳骸斑@的是燒豬佛印待東坡，抵多少駒驢魏野逢潘閬”。俗子見之，有不訾以為傳唐人用宋事耶？畫家謂王摩詰以牡丹、芙蓉、蓮花同畫一景，畫《袁安高臥圖》有雪里芭蕉，此不可易與人道也。[18](P147-148)

4個(gè)試件節(jié)點(diǎn)彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系見圖3(e),由圖3(e)可見,隨著鋼梁的截面高度的增加,節(jié)點(diǎn)的初始剛度、彈性抗彎承載力和塑性抗彎承載力均隨之增加。

從E4與E2的比較可知,鋼梁的截面高度提高60.0%,初始剛度提高129.7%,彈性彎矩提高34.9%,塑性彎矩提高45.4%。可見,鋼梁的截面高度的變化對于強(qiáng)度和剛度的影響都很顯著,是提高節(jié)點(diǎn)各方面性能的很有效辦法。

2.7 端板厚度的影響

梁柱連接端板厚度,對螺栓受拉區(qū)域破壞模式有顯著影響,進(jìn)而影響到節(jié)點(diǎn)的承載力。變換端板厚度設(shè)計(jì)了F組4個(gè)試件,F1～F4分別對應(yīng)短板厚度為12、10、15、20 mm。

4個(gè)試件節(jié)點(diǎn)彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系見圖3(f),由圖3 (f)可見,隨著端板厚度的增加,節(jié)點(diǎn)的初始剛度基本不變、彈性抗彎承載力和塑性抗彎承載力的增加幅度也很小。

從F4與 F2的比較可知,端板厚度提高100.0%,初始剛度和彈性彎矩基本保持不變,塑性彎矩也只提高了16.9%。端板厚度的變化對于強(qiáng)度和剛度的影響都很小,只是判定端板是否破壞的判定依據(jù)。一般說來,端板厚度大于柱翼緣厚度時(shí),節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)可保證端板不被破壞。隨著端板厚度的增加,其塑性彎矩增加幅度變小,就是因?yàn)槎税搴穸纫呀?jīng)超過了柱翼緣的厚度,破壞模式由端板的破壞轉(zhuǎn)為柱翼緣的破壞,這在設(shè)計(jì)中是不利的[4]。

2.8 端板高度(螺栓孔間距)的影響

梁柱連接端板高度,一定程度上決定著螺栓孔的間距,對螺栓受拉區(qū)域破壞模式及中和軸的位置都有顯著影響,進(jìn)而影響到節(jié)點(diǎn)的性能。變換端板高度設(shè)計(jì)了G組4個(gè)試件,G1～G4分別對應(yīng)端板高度175、150、200、250 mm。

4個(gè)試件節(jié)點(diǎn)彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系見圖3(g),由圖3(g)中可見,隨著端板高度的增加,節(jié)點(diǎn)的初始剛度、彈性抗彎承載力變化不大,塑性抗彎承載力隨之增加。

圖3 彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線Fig.3 Moment versus rotation

3 結(jié) 論

本文利用ANSYS有限元軟件對部分端板連接鋼框架梁柱組合節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算,得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)樓板的配筋率、鋼筋強(qiáng)度、鋼梁高度、端板高度對塑性抗彎承載力的影響很大,配筋率、鋼筋強(qiáng)度的增大提高了受拉區(qū)的抗拉能力,鋼梁高度、端板高度的增大使得轉(zhuǎn)動(dòng)力臂增大。

2)樓板的的配筋率、鋼梁高度對初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的影響較大,配筋率增大提高了受拉區(qū)的抗拉剛度,鋼梁高度的增大使得轉(zhuǎn)動(dòng)力矩增大。

3)混凝土對強(qiáng)度的影響很小,這也驗(yàn)證了以往理論分析中不考慮混凝土對強(qiáng)度影響的正確性。

[1]Seung-Eock Kim,Se-Hyu Choi.Practical second-order inelastic analysis for three-dimensional steel frames subjected to distributed load[J].Thin-Walled Structures, 2005,43:135-160.

[2]Ali Davaran,Narges Easazadeh Far.An inelastic model for low cycle fatigue prediction in steel braces[J]. Journal of Constructional Steel Research,2009,65: 523-530.

[3]Puhali R.,Iztok Smotlak.and Zandonini R.Semi-rigid composite action:experimental analysis and a suitable model[J].J.Construct.Steel Research,1990,(15): 121-151.

[4]Y.Xiao.Composite connections in steel and concrete-Ⅱ.Moment capacity of end plate beam to column connections[J].Journal of Constructional Steel Research, 1996,37(1):63-90.