謝思昱, 鄭七振, 陳 剛, 包亞敏, 武昭融

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093; 2.上海久創(chuàng)建設(shè)管理有限公司,上海 201204; 3.同濟大學(xué)浙江學(xué)院 交通運輸工程系,嘉興 314051)

帶支撐節(jié)點板鋼框架梁柱節(jié)點抗彎性能分析

謝思昱1, 鄭七振1, 陳 剛1, 包亞敏2, 武昭融3

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093; 2.上海久創(chuàng)建設(shè)管理有限公司,上海 201204; 3.同濟大學(xué)浙江學(xué)院 交通運輸工程系,嘉興 314051)

研究了帶支撐節(jié)點板鋼框架梁柱節(jié)點的抗彎性能.在ABAQUS有限元分析軟件中采用C3D8I單元分別建立了6個由端板或雙腹板角鋼連接的鋼框架梁柱節(jié)點模型,其中,2個不帶支撐節(jié)點板,4個帶支撐節(jié)點板.研究在正、負彎矩作用下支撐節(jié)點板對鋼框架梁柱節(jié)點承載能力、轉(zhuǎn)動剛度的影響,并分析了增設(shè)底角鋼、端板外伸等措施對帶支撐節(jié)點板鋼框架梁柱節(jié)點抗彎性能的影響.分析結(jié)果表明,支撐節(jié)點板使鋼框架梁柱剛度提高,具有了半剛性,明顯提高了節(jié)點的抗彎性能,增設(shè)底角鋼和端板外伸有助于提高帶支撐節(jié)點板鋼框架梁柱節(jié)點抗彎性能.

支撐節(jié)點板; 鋼框架梁柱節(jié)點; ABAQUS軟件; 抗彎性能

1 支撐板式連接節(jié)點

支撐板式連接節(jié)點是一種用節(jié)點板連接支撐桿件和框架梁柱的新型支撐節(jié)點,如圖1所示,t為節(jié)點板厚度.與我國《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]中推薦的幾種常用剛性連接支撐節(jié)點(圖2)相比,這種板式連接節(jié)點具有構(gòu)造簡單、安裝方便及耗能性能好等優(yōu)點.在我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計通則》等規(guī)范中也提到這種節(jié)點板式連接形式[2-3],理論上這種節(jié)點形式只適用于不超過12層的結(jié)構(gòu).

圖1 支撐與節(jié)點板連接

圖2 支撐與節(jié)點連接

鋼框架梁柱節(jié)點經(jīng)常采用雙腹板角鋼連接或者平端板連接以承受軸向荷載,在設(shè)計中將節(jié)點假定為鉸接,不傳遞任何彎矩,結(jié)構(gòu)采用支撐體系來抵抗水平荷載,如風(fēng)荷載、地震荷載等.1994年,美國北嶺地震的震后調(diào)查結(jié)果顯示[4-5],鋼框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系嚴重破壞后,即支撐系統(tǒng)失效后,設(shè)計中被認為只承受豎向荷載的鋼框架繼續(xù)承受地震荷載,取得了意想不到的效果,而這是設(shè)計中經(jīng)常被忽略的.可見,支撐節(jié)點板和框架節(jié)點共同工作的抗彎性能對于結(jié)構(gòu)整體的抗震性能有很大影響.

Walbridge等[6]認為節(jié)點板與梁柱節(jié)點共同工作具有較好的耗能性能,Yoo等[7]提出支撐節(jié)點板在特殊中心支撐框架中經(jīng)過適當?shù)倪B接可以使結(jié)構(gòu)具有更好的性能.目前,關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點板連接的性能及其對結(jié)構(gòu)的影響,國內(nèi)已有一些研究成果[8-9],但是,關(guān)于帶支撐節(jié)點板梁柱節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度及其彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系,國內(nèi)的理論和試驗研究不多.本文為了探究支撐體系失效后鋼框架節(jié)點與支撐節(jié)點板共同工作的抗彎性能,運用ABAQUS有限元分析軟件對帶支撐節(jié)點板的雙腹板角鋼連接、端板連接鋼框架梁柱節(jié)點進行了數(shù)值模擬分析.

2 模型建立

2.1 模型設(shè)計

共設(shè)計了6個模型,如表1所示.為了分析支撐節(jié)點板對鋼框架梁柱節(jié)點抗彎性能的影響,設(shè)計了兩組對比試件,S-1和S-2使用雙腹板角鋼連接梁柱.其中:S-1帶支撐節(jié)點板,S-2不帶;S-3和S-4使用端板連接梁柱,其中,S-3帶支撐節(jié)點板,S-4不帶.另外,模型S-5在S-1的基礎(chǔ)上增設(shè)底角鋼,以分析底角鋼對雙腹板角鋼連接的帶支撐節(jié)點板鋼框架梁柱節(jié)點的影響;模型S-6在S-3的基礎(chǔ)上設(shè)置端板一端外伸,以分析端板外伸對端板連接的帶支撐節(jié)點板鋼框架梁柱節(jié)點的影響.

梁柱、角鋼、端板、支撐節(jié)點板均采用Q345鋼,柱子采用工字型鋼,截面尺寸為350 mm×350 mm×19 mm×12 mm,高2 800 mm,梁采用工字型鋼,截面尺寸為250 mm×250 mm×14 mm×9 mm,長度為2 800 mm,節(jié)點板尺寸為400 mm×350 mm×12 mm.節(jié)點由雙腹板角鋼連接時,角鋼與柱子翼緣之間采用8.8級M20高強螺栓連接,螺栓桿與孔洞之間的間隙為1 mm,柱子翼緣與梁截面之間設(shè)置10 mm間隙.角鋼與梁腹板之間采用三面圍焊,焊條為E50焊條,角焊縫高度為8 mm.端板連接的節(jié)點采用與雙腹板角鋼連接方法相同的高強螺栓連接.支撐節(jié)點連接板與梁上翼緣之間采用雙面角焊縫,焊縫高度為8 mm.各模型圖如圖3～8所示.

表1 模型參數(shù)布置

圖3 S-1模型

圖4 S-2模型

圖5 S-3模型

圖6 S-4模型

圖7 S-5模型

圖8 S-6模型

計算時約定,梁上部受拉、下部受壓為承受負彎矩,上部受壓、下部受拉為承受正彎矩.由于帶支撐節(jié)點板的梁柱連接節(jié)點在支撐失效后,其承受正彎矩、負彎矩的性能不同,因此,在正、負彎矩情況下建立10個有限元模型,如表2所示.

表2 有限元模型

2.2 單元類型和網(wǎng)格劃分

模型采用ABAQUS軟件中的非協(xié)調(diào)單元C3D8I.非協(xié)調(diào)單元對網(wǎng)格的扭曲非常敏感,劃分單元時必須確保在單元上產(chǎn)生的扭曲非常小,需要對連接孔洞處的網(wǎng)格進行精細劃分,才能保證結(jié)果的精度[10].模型網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化劃分,在接觸面、孔洞附近加密,如圖9所示.采用Q345鋼,最大屈服承載能力為345 MPa,彈性模量為210 000 MPa.

2.3 施加荷載和邊界條件

模型中8.8級M20高強螺栓的屈服承載能力為640 MPa,抗拉承載能力為800 MPa,應(yīng)施加預(yù)應(yīng)力140 kN[11].在ABAQUS軟件中采用bolt荷載項,分三步施加螺栓預(yù)應(yīng)力,第一步施加10 N,確保接觸面之間產(chǎn)生接觸;第二步直接施加140 kN的荷載;第三步將螺栓預(yù)應(yīng)力設(shè)置為保持螺栓桿長度不變的形式.

模型中柱子上端與下端均采用鉸接,并在對應(yīng)參考點設(shè)置邊界條件,梁端施加200 mm的位移荷載,使梁柱節(jié)點發(fā)生轉(zhuǎn)動,如圖10所示.角鋼、支撐節(jié)點板、端板與梁之間均采用焊接,在焊接處采用綁定約束將兩接觸面間所有自由度耦合在一起,以考察等效塑性應(yīng)變的PEEQ方式來判斷焊接處的破壞情況.其他接觸面間采用面與面接觸對,面與面之間的切線行為采用罰函數(shù),設(shè)置摩擦系數(shù)為0.3;假定法向界面之間不發(fā)生穿透,設(shè)定為硬接觸.由于ABAQUS軟件無法直接模擬節(jié)點的斷裂等行為,將所有模型的最大梁柱轉(zhuǎn)角設(shè)定為0.07 rad[9].模型中會出現(xiàn)較大的變形,必須考慮二階效應(yīng),在ABAQUS軟件中將幾何非線性選項設(shè)置為ON.

圖9 有限元模型網(wǎng)格布置

圖10 邊界條件

3 結(jié)果分析

3.1 支撐節(jié)點板影響

為了分析節(jié)點板對梁柱節(jié)點抗彎性能的影響,通過數(shù)值分析得出帶節(jié)點板模型S-1,S-3和不帶節(jié)點板模型S-2,S-4在正、負彎矩下的彎矩轉(zhuǎn)角曲線,如圖11所示.采用ABAQUS分析軟件,其本構(gòu)模型存在軟化段,其模擬結(jié)果可以呈現(xiàn)下降段,可從圖11中看到,S-3-N有明顯下降段.模型S-1和S-2是通過雙腹板角鋼連接的梁柱節(jié)點,從圖11中可知,帶節(jié)點板的模型S-1在正、負彎矩作用下的轉(zhuǎn)動剛度和承載能力都明顯優(yōu)于不帶節(jié)點板的模型S-2.比較由端板連接的梁柱節(jié)點模型S-3和S-4,帶節(jié)點板的模型S-3比不帶節(jié)點板的模型S-4具有更好的轉(zhuǎn)動剛度和承載能力.根據(jù)歐洲規(guī)范EC3節(jié)點分類,模型S-2和S-4雖然具有一定剛度,但是,此時剛度較小,可以認為是鉸接連接,而考慮節(jié)點板作用后的鋼框架梁柱節(jié)點具有了明顯的半剛性.從圖11中還可以得知,在考慮節(jié)點板作用的情況下,端板連接的S-3比雙腹板角鋼連接的S-1具有更好的轉(zhuǎn)動剛度和承載能力.

比較模型S-3和S-4的等效塑性應(yīng)變可知,S-3在承受負彎矩時,最大等效塑形應(yīng)變?yōu)?.18,出現(xiàn)在梁連接節(jié)點板末端附近的梁下翼緣處;在承受正彎矩時,最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.42,出現(xiàn)在連接梁柱的受拉下排螺栓處,如圖12所示.而S-4的最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.80,出現(xiàn)在連接梁的上排螺栓處.由于節(jié)點板和柱連接部位承受較大外力,可以有效減小節(jié)點核心區(qū)在彎矩作用下的變形,有利于梁式側(cè)移機構(gòu)的形成.

圖11 S-1,S-2,S-3,S-4彎矩轉(zhuǎn)角曲線

從以上分析可知,支撐節(jié)點板能有效提高鋼框架梁柱節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度和承載能力,并且?guī)е喂?jié)點板的端板連接梁柱節(jié)點的抗彎性能優(yōu)于帶支撐節(jié)點板的雙腹板角鋼連接梁柱節(jié)點的.

3.2 底角鋼的影響

模型S-5在模型S-1的基礎(chǔ)上增設(shè)底角鋼,用以分析增設(shè)底角鋼對帶支撐節(jié)點板梁柱節(jié)點抗彎性能的影響.由圖13可知,增設(shè)了底角鋼的模型S-5一定程度上限制了節(jié)點的變形,節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度和承載能力都有所提高.

模型S-1未設(shè)置底角鋼,其承受正、負彎矩的轉(zhuǎn)動剛度和承載能力相差不大,而模型S-5承受正彎矩作用下的初始剛度高于負彎矩作用下的初始剛度,進入強化階段后,S-5-N比S-5-P具有更好的承載能力.圖14為S-5進入彎矩轉(zhuǎn)角曲線強化階段后的應(yīng)力云圖,由圖14(a)和圖14(b)可以發(fā)現(xiàn),模型S-5-N承受負彎矩作用下,轉(zhuǎn)動中心位于梁腹板角鋼螺栓附近,而S-5-P承受正彎矩作用時的轉(zhuǎn)動中心位于梁腹板靠近節(jié)點板處,模型S-5承受正彎矩的力臂小于負彎矩的力臂,故S-5-P的初始剛度大于S-5-N的.

圖12 S-3,S-4等效塑性應(yīng)變示圖

圖13 S-1,S-5彎矩轉(zhuǎn)角曲線

因此,增設(shè)底角鋼對提高帶支撐節(jié)點板梁柱節(jié)點的抗彎性能有一定效果,還能使其在承受正彎矩時的初始剛度高于承受負彎矩時的初始剛度.

圖14 S-5應(yīng)力云圖

3.3 端板外伸影響

為了分析端板外伸對帶支撐節(jié)點板梁柱節(jié)點抗彎性能的影響,對模型S-3,S-6進行了計算對比分析.計算表明,在承受負彎矩時,外伸端板對于節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度和承載能力影響不大,而在承受正彎矩時,模型S-6的轉(zhuǎn)動剛度和承載能力明顯大于未設(shè)外伸端板的S-3的,如圖15所示.S-3-P的最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.4,出現(xiàn)在連接梁柱的下排螺栓處;而S-6-P的等效塑性應(yīng)變?yōu)?.02,出現(xiàn)在梁上翼緣與節(jié)點板連接外端附近,如圖16所示.由此可見,設(shè)置外伸端板能有效增加節(jié)點承受正彎矩的轉(zhuǎn)動剛度與承載能力.

圖15 S-3,S-6彎矩轉(zhuǎn)角曲線

圖16 S-3-P,S-6-P等效塑性應(yīng)變示圖

4 結(jié) 論

a. 帶支撐節(jié)點板鋼框架梁柱節(jié)點的力學(xué)性能具有明顯的半剛性,比不帶支撐節(jié)點板的梁柱節(jié)點具有更好的轉(zhuǎn)動剛度和承載能力.

b. 在帶支撐節(jié)點板的梁柱節(jié)點上增設(shè)底角鋼,節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度與承載能力均得到提高,承受正彎矩時的初始剛度比承受負彎矩時的明顯增大.

c. 在帶支撐節(jié)點板使用端板連接的梁柱節(jié)點上設(shè)置外伸端板能有效增加節(jié)點承受正彎矩的轉(zhuǎn)動剛度與承載能力.

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(編輯:石 瑛)

Analysis on the Flexural Performance of Steel Frame Beam-column Connections with Gusset Plate

XIE Siyu1, ZHENG Qizhen1, CHEN Gang1, BAO Yamin2, WU Zhaorong3

(1.SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China; 2.ShanghaiEvertransConstructionManagementCo.,Ltd.,Shanghai201204,China; 3.DepartmentofTransporationEngineering,TongjiZhengjiangCollege,Jiaxing314051,China)

To explore the flexural performance of steel frame beam-column connections with gusset plate,the models of 6 steel frame beam-column joints,connected with double web angle or end plate were established by using the C3D8I element in ABAQUS finite element software.There were two of the joints with gusset plate and four without gusset plate.Considering two conditions in which the joints were respectively under the action of positive and negative bending moment,the effects of gusset plate on the load bearing capacity and rotational stiffness of steel frame beam-column joints were studied.The influences of the measures,such as adding a seat angle and setting an one-side extended end-plate,on the flexural performance of steel frame beam-column connections with gusset plate were investigated.The results show that the gusset plate makes the steel frame beam-column joints semi-rigid,which significantly improves the flexural performance of the joints.Adding the seat angle and setting the one-side extended end-plate are helpful to enhance the flexural performance of steel frame beam-column connections with the gusset plate.

gussetplate;steelframebeamcolumnconnections;ABAQUSsoftware;flexuralperformance

1007-6735(2016)06-0557-06

10.13255/j.cnki.jusst.2016.06.009

2016-04-16

謝思昱(1991-),女,碩士研究生.研究方向:結(jié)構(gòu)設(shè)計計算.E-mail:xiesiyu91@qq.com

鄭七振(1962-),男,教授.研究方向:結(jié)構(gòu)設(shè)計計算理論、復(fù)雜結(jié)構(gòu)計算機仿真分析等. E-mail:zhengqz1@163.com

TU 391

A