楊 璐， 陳 虹(沈陽工業(yè)大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

建筑工程

梁端翼緣擴大型梁柱節(jié)點受力性能*

楊 璐， 陳 虹
(沈陽工業(yè)大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

為了研究不同形狀參數(shù)下梁端翼緣加強板對梁端翼緣擴大型梁柱節(jié)點的影響，分析了不同形狀的梁端擴大翼緣形狀最優(yōu)方案.基于梁端強度相同的準則，改變其翼緣加強板的形狀，設計了三種形狀的梁端翼緣擴大型梁柱節(jié)點.利用有限元分析軟件ABAQUS建立了不同形狀參數(shù)下的有限元分析模型，研究在靜載作用下節(jié)點的力學特征，對比分析不同材料參數(shù)的擴翼對梁端翼緣擴大型節(jié)點性能的影響程度.結(jié)果表明，不同擴翼形狀對節(jié)點承載力水平影響并不顯著，而對節(jié)點處應力分布影響較大；擴翼強度對節(jié)點的受力性能影響不大.

節(jié)點的可靠度設計作為鋼結(jié)構(gòu)體系設計過程中重要的考慮因素，是結(jié)構(gòu)設計人員一直遵循的設計準則.然而由于鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點在地震和颶風等自然災害的作用下，其節(jié)點連接區(qū)域塑性鉸的出現(xiàn)極大地影響了節(jié)點的使用性能，給結(jié)構(gòu)的抗震能力帶來了安全隱患[1]，并且梁柱連接節(jié)點處的應力集中現(xiàn)象一直是結(jié)構(gòu)設計人員在節(jié)點設計時的關(guān)鍵問題.因此，通過合理地利用梁端擴翼使梁端塑性鉸外移，解決梁柱節(jié)點在承受反復荷載時梁端出現(xiàn)塑性鉸，以及節(jié)點柱與節(jié)點梁連接部位出現(xiàn)應力集中的問題，這種新型鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點被運用到工程實際中，即梁端翼緣擴大型節(jié)點.國內(nèi)外學者對此種節(jié)點的受力性能進行了大量的研究，并取得了較多的理論及試驗成果[2-6].王玉田[7]系統(tǒng)地研究了梁端翼緣擴大型鋼框架的耗能能力、抗震機理以及梁柱連接節(jié)點的抗震性能，通過擬動力試驗方法，研究了基于梁端翼緣擴大型連接的大比例鋼框架動力反應和抗震性能；劉蕓等[8]對側(cè)板加強型節(jié)點連接焊縫發(fā)生斷裂的可能性進行了研究，并基于焊接殘余應力對指定路徑的斷裂指標分布規(guī)律進行了研究；馬輝[9]建立了擴翼型和側(cè)板加強型節(jié)點的三維有限元模型，采用ANSYS有限元分析軟件對試驗模型進行了循環(huán)荷載下的有限元計算，分別對擴翼型節(jié)點和側(cè)板加強型節(jié)點建模進行了循環(huán)荷載下的三維非線性有限元分析.上述學者對翼緣擴大型節(jié)點的抗震性能進行了詳細研究，但對節(jié)點材料及擴翼形式并未進行深入研究.因此，本文在此基礎上研究了翼緣擴大型梁柱節(jié)點的擴翼在不同材料性質(zhì)及不同形狀下對節(jié)點受力性能的影響程度，進而研究最優(yōu)的節(jié)點梁端翼緣增加板的材料匹配及尺寸優(yōu)選，為實際工程中翼緣擴大型梁柱節(jié)點的應用提供了參考.

1 節(jié)點設計

為了深入研究節(jié)點在受力過程中各部分所受應力的大小及變化規(guī)律，本文參照《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》[10]設計了四種鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點構(gòu)造形式，其中，梁柱的尺寸分別為H450 mm×250 mm×8 mm×16 mm和H300 mm×120 mm×8 mm×12 mm.三種擴大翼緣節(jié)點連接構(gòu)造形式為：擴翼與梁上下翼緣焊接，得到的擴大翼緣板與柱上加強板焊接，梁端腹板與焊接于柱翼緣上的連接板采用高強螺栓連接；為了保證節(jié)點區(qū)域擁有足夠的強度和剛度，在與梁相連的柱翼緣板內(nèi)側(cè)設置加勁肋板，肋的厚度與翼緣厚度相同；螺栓采用8.8級摩擦型高強螺栓.普通節(jié)點為連接板通過螺栓連接.四種節(jié)點分別編號為FPC1、FPC2、FPC3和GN1.基于各參數(shù)的分析試件如表1所示.圖1為四種節(jié)點構(gòu)造示意圖(單位：mm).

采用分離組合式方法建立梁柱節(jié)點有限元模型.單元類型均為實體單元C3D8R.為了保證鋼材模擬的準確性和有效性，鋼材本構(gòu)采用線性彈塑性力學強化模型.采用TIE定義擴翼、梁端翼緣、柱腹板、柱肋板、連接板和柱翼緣之間的焊接連接接觸關(guān)系；考慮材料性質(zhì)與實際受力情況，螺栓、連接板、柱翼緣和梁腹板之間的接觸關(guān)系設置為硬接觸，同時設置鋼材之間的摩擦系數(shù)為0.3.節(jié)點的計算簡圖如圖2所示，其中，F(xiàn)N為柱軸向荷載，軸壓比為0.3.梁端采用位移加載，近似取梁端轉(zhuǎn)角代替層間位移角.節(jié)點有限元模型如圖3所示.

表1 試件參數(shù)Tab.1 Specimen parameters

圖1 四種節(jié)點構(gòu)造示意圖Fig.1 Schematic structure for four kinds of joints

圖2 節(jié)點計算簡圖Fig.2 Simplified calculation diagram for joint

圖3 四種節(jié)點有限元模型Fig.3 Finite element models for four kinds of joints

2 有限元模擬結(jié)果

2.1 擴翼強度對節(jié)點受力性能的影響

圖4 不同擴翼強度下三種節(jié)點的荷載位移曲線Fig.4 Load-displacement curves for three kinds of joints with different widened flange strengths

2.2 擴翼形狀對節(jié)點性能的影響

圖5 三種擴翼強度下FPC2梁端應力云圖Fig.5 Stress nephogram at end of FPC2 beam with three widened flange strengths

圖6 三種擴翼形狀荷載位移曲線Fig.6 Load-displacement curves for widened flange with three shapes

3 結(jié) 論

本文通過對不同擴翼參數(shù)下的節(jié)點進行有限元模擬分析，對比分析了三種節(jié)點的受力性能，并與非擴翼型節(jié)點進行了對比分析，得出以下結(jié)論：

1) 翼緣擴大型梁柱節(jié)點能夠有效地使梁端塑性鉸出現(xiàn)區(qū)域向梁跨中轉(zhuǎn)移，避免由于塑性鉸的出現(xiàn)導致節(jié)點柱發(fā)生破壞；

2) 節(jié)點梁根部翼緣與腹板交接處存在復雜的三向應力狀態(tài)，應力集中現(xiàn)象嚴重，合理采用擴翼材料能夠有效地分配節(jié)點梁端出現(xiàn)的應力集中區(qū)域；

3) 根據(jù)參數(shù)分析可知，擴翼強度及形狀的變化對節(jié)點的受力性能影響不大，但對節(jié)點處應力分布影響顯著，擴翼形狀對節(jié)點的受力性能亦具有較大影響.

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(責任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)

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)

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.

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

2016-07-14.

國家自然科學基金資助項目(11102118)； 遼寧省教育廳基金資助項目(L2012030).

楊 璐(1973-)，女，山東掖縣人，教授，博士，主要從事混凝土彈塑性損傷本構(gòu)和ABAQUS數(shù)值模擬等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.04.19

TU 391

A

1000-1646(2017)04-0459-05

*本文已于2017-01-19 17∶56在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170119.1756.012.html