鋼梁柱節(jié)點弱軸連接彎矩-轉(zhuǎn)角性能試驗研究

鋼梁柱節(jié)點弱軸連接彎矩-轉(zhuǎn)角性能試驗研究

節(jié)點連接分析半剛性連接具有良好的變形能力，可調(diào)整結(jié)構(gòu)中曲線的分布，使結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟、更合理。近十年來有關(guān)鋼框架半剛性連接的研究很多,但基本上限于梁柱的強軸連接,對弱軸連接的研究相對較少。連接是鋼框架的重要組成部分,其性能影響結(jié)構(gòu)的整體性能,因此鋼結(jié)構(gòu)分析應當考慮連接的非線性,對于空間框架結(jié)構(gòu)來說,則必須考慮梁柱節(jié)點弱軸連接的彎矩-轉(zhuǎn)角特性。目前一些國家的規(guī)范對半剛性連接的設(shè)計有了規(guī)定,但針對各類弱軸連接的具體計算尚不明確。有限單元法早已用于結(jié)構(gòu)性能研究,國內(nèi)外許多研究者利用大型有限元程序?qū)Χ喾N類型的連接進行了分析,取得了很好的效果。為進一步研究弱軸半剛性連接的性能,本文對鋼梁柱半剛性節(jié)點頂?shù)捉卿撊踺S連接進行了三維非線性有限元分析,分析的重點是此類連接的承載能力、受力機理、變形特點、破壞模式和接觸狀態(tài)的穩(wěn)定性。1試件與試件的材料和方案為與試驗結(jié)果相對比,本文的有限元分析以試驗試件為基本模型。試件的尺寸見圖1,弱軸梁通過頂?shù)捉卿摵透邚姸嚷菟ㄅc柱腹板相連,弱軸梁與柱腹板之間的間隙為15mm。試件采用國產(chǎn)H型鋼,鋼材為Q235B型,柱選用HW300×300×10×15截面,弱軸連接梁選用HN300×150×5.5×8截面。柱的高度取為1900mm。柱弱軸方向的梁全長1400mm,其懸臂端加載點至柱腹板中心1300mm。頂?shù)捉卿撨x用等邊角鋼L125×12,寬度和連接梁寬度相同。螺栓選用10.9S級M20高強度螺栓,螺栓孔直徑22mm。2頂?shù)捉卿撊踺S連接單向加載試驗方案試驗主要包括3個鋼梁柱頂?shù)捉卿撊踺S連接單向加載試驗(試件分別編號BDRB-1、BDRB-2、BDRB-3,試驗裝置見圖2)和相應的鋼板材性試驗、摩擦型高強度螺栓摩擦面連接抗滑移系數(shù)試驗。頂?shù)捉卿撊踺S連接單向加載試驗開始之前將梁柱構(gòu)件連接,并對高強度螺栓施加預拉力,預拉力大小按照GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定施加,大小為155kN;將柱構(gòu)件豎立,柱端模擬鉸接,柱頂由剛度很大的剛架提供側(cè)向力,并利用千斤頂對柱施加軸向力;梁懸臂端用千斤頂施加集中荷載,梁翼緣與千斤頂之間使用刀口支座。試驗時首先用千斤頂在柱頂施加300kN軸向力,隨后在梁懸臂端用千斤頂施加單向集中荷載。頂?shù)捉卿撊踺S連接單向加載試驗的部分試驗結(jié)果見表1~表3,更多的分析結(jié)果見文獻。3模型的材料和參數(shù)本文分析利用非線性功能強大、接觸分析方便的大型有限元程序ANSYSV10.0。梁柱和角鋼、螺栓采用了三維實體單元SOLID45,焊縫采用了三維實體單元SOLID95,摩擦單元包括CONTA174和對應的TARGE170單元,螺栓張拉力的施加通過預張拉單元PRETS179實現(xiàn)。本文分析中所采用的實體單元均有幾何和材料非線性能力。所研究的模型中,梁柱和角鋼的材料是國產(chǎn)Q235鋼材,螺栓為40Cr合金鋼,所有材料為均質(zhì)的各向同性材料。分析中對梁柱和角鋼等鋼材采用了多線性各向同性強化模型,對螺栓和焊縫材料采用了雙線性各向同性強化模型,并采用Mises屈服準則和相關(guān)聯(lián)的流動法則。本構(gòu)模型的參數(shù)、接觸面摩擦系數(shù)采用試驗值,螺栓預拉力大小、柱軸向力大小以及荷載施加順序和方式均與試驗相同。有限元模型和試驗試件都在梁端集中力加載點設(shè)置了梁腹板豎向加勁肋,加勁肋減小了集中力施加位置相關(guān)受力單元的變形,使單元形狀不發(fā)生大的畸變。本文在單元劃分時,在關(guān)鍵部位和形狀不規(guī)則的部位,比如應力梯度大的部位、螺栓、角鋼等關(guān)鍵組件,網(wǎng)格尺寸劃分得比較小,使這些部位的單元形狀好,網(wǎng)格精細,不規(guī)則處過渡自然。分析時利用了對稱性,沿梁腹板中面取模型的1/2分析。圖3~圖5是試件有限元模型的網(wǎng)格劃分情況。4連接的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線分析利用ANSYS軟件建立有限元模型并求解,分析了頂?shù)捉卿撊踺S腹板連接試驗試件在單調(diào)荷載下的抗彎性能,得到了連接的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線和應力分布、連接組件變形等數(shù)據(jù),并與試驗結(jié)果作了對比。首先對比有限元分析和3個基本試件試驗得到的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線,如圖6所示,有限元分析得到的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線基本上和試驗曲線吻合較好,說明有限元分析結(jié)果和試驗結(jié)果比較符合。有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果相比,有限元分析得到的連接初始剛度略小于試驗值,進入塑性強化階段后,連接塑性極限強度和應變強化剛度與試驗非常接近。從連接的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線可以看出:(1)梁端彎矩較小時曲線就體現(xiàn)出非線性的性質(zhì),頂?shù)捉卿撊踺S連接屬于典型的半剛性連接。(2)頂?shù)捉卿撊踺S連接具備一定的彎矩承載能力,連接在進入塑性階段后承載力穩(wěn)定增加,有較長的強化段。連接的承載力可以超過所連接梁承載力的30%。(3)連接在加載期間性能穩(wěn)定,僅在加載后期出現(xiàn)了承載力波動的現(xiàn)象,主要是因為加載后期連接組件產(chǎn)生了突然的相對滑動。(4)頂?shù)捉侨踺S鋼連接的塑性剛度較低,但變形能力很好。連接在加載后期的轉(zhuǎn)動變形可以達到0.1rad。4.1電壓、電壓和電壓分析4.1.1misen應力云圖Mises應力可以反映主應力的大小,幫助判斷材料的應力狀態(tài)。圖7是基本試件角鋼的應力向量,應力集中在角鋼趾和螺栓邊緣。圖8是在梁端作用30kN集中力時的連接受拉區(qū)域Mises應力云圖(為清晰起見,未顯示螺栓應力)。該集中力作用下連接所傳遞的梁端彎矩約為39kN·m,超過了該試件極限抗彎承載力的理論值,節(jié)點區(qū)域多個組件進入屈服強化階段。Mises應力云圖顯示,屈服應力集中于節(jié)點區(qū)域,梁柱構(gòu)件在節(jié)點以外的部分基本處于彈性階段。連接的各組件中,除螺栓外應力最大、最集中的是節(jié)點受拉區(qū)域角鋼和與角鋼豎肢連接的板件———柱腹板,而受壓角鋼受力相對均勻。柱腹板有應力集中現(xiàn)象,造成柱腹板局部屈服。橫向加勁肋靠近受拉角鋼一側(cè)的焊縫應力集中明顯,另一側(cè)的焊縫受力相對和緩(圖9)。4.1.2角鋼與梁翼緣的連接有限元分析顯示的試件變形情形和試驗結(jié)果一致。圖10對比了試驗和有限元分析的受拉角鋼變形(有限元模型取角鋼的1/2),有限元分析真實模擬了試件的變形情況。整個試件的變形主要源于受拉角鋼變形和柱腹板平面外變形,受拉角鋼的變形最大,受壓角鋼與梁翼緣連接的角鋼肢略有變形,其他部位變形較小,梁和柱基本上在彈性變形范圍。如果受拉角鋼連接的柱腹板比較薄弱,則該板件對連接初始剛度的影響是不可忽略的。圖11顯示的是柱腹板厚度為9mm時角鋼和柱腹板的變形(未顯示連接螺栓),腹板代替角鋼成為連接最薄弱的組件?？梢?對腹板角鋼弱軸連接來說,如果柱腹板過于薄弱,柱腹板可能失穩(wěn),產(chǎn)生過大的平面外變形,致使腹板成為連接強度和變形模式的控制因素,這是腹板弱軸連接與強軸連接不同之處。連接在梁懸臂端集中力作用下的變形是圍繞底角鋼上的一點轉(zhuǎn)動的。有限元分析提供了很好的手段確定連接的轉(zhuǎn)動中心。圖12顯示底角鋼連接處角鋼和梁的變形,圖13顯示構(gòu)件的位移向量和以底角鋼水平肢螺栓固定處為圓心,這就說明底角鋼水平肢螺栓固定處為弱軸梁和頂角鋼的轉(zhuǎn)動中心。4.1.3螺栓邊緣分析試件的塑性應變主要集中于受拉角鋼,柱腹板在螺栓固定處也有塑性發(fā)展,受壓角鋼上應力均勻,塑性發(fā)展非常有限。分析顯示,受拉角鋼可能形成3個塑性鉸,分別位于受拉角鋼的角鋼趾兩個倒角邊緣以及角鋼豎肢上(連接柱腹板)的螺栓邊緣。圖14顯示了頂角鋼發(fā)生較大變形后Mises塑性應力和Mises塑性應變的分布情況?？梢钥闯?頂角鋼上隨著塑性的發(fā)展可能形成3個塑性鉸機構(gòu)。通過ANSYS的時間-歷程處理器可以得到這3個塑性鉸形成部位節(jié)點的Mises塑性應變發(fā)展歷程,根據(jù)塑性鉸線上Mises塑性應變的發(fā)展歷程分析,受拉角鋼水平肢上角鋼趾倒角邊緣較先進入塑性,其次是角鋼豎肢螺栓固定部位,而角鋼豎肢上自螺栓固定處到角鋼趾處變形自由,應力比較和緩,最后進入塑性。最大的塑性變形出現(xiàn)在螺栓孔邊緣,是在荷載達到一定值后螺栓桿接觸并擠壓螺栓孔產(chǎn)生的。需要指出的是,角鋼上應力的分布在加載歷程中是不斷變化的,而且受連接形式和各組件的大小、接觸摩擦的變化等因素的影響。4.2螺栓接觸滑移頂?shù)捉卿撊踺S連接的非線性一部分源于試件的接觸非線性。受拉角鋼從開始受力起角鋼趾就逐漸被拉離連接板件,該角鋼肢與連接板件之間的摩擦面積迅速減小,該角鋼肢會逐步產(chǎn)生滑移。當螺栓桿與螺栓孔接觸后,螺栓的滑移被阻止,螺栓桿開始擠壓螺栓孔。由于螺栓桿強度比角鋼高得多,螺栓孔會被擠壓變形。由于受拉角鋼變形很大,接觸狀態(tài)改變明顯,荷載施加過程中會造成螺栓的突然滑移。在有限元程序求解過程中,接觸滑移可能導致收斂困難,必須減小每一荷載子步的荷載值,使加載更為和緩。有限元軟件不易模擬這種連接板件之間的突然錯動,這和實際試驗情況不同。圖15顯示了有限元分析的連接頂角鋼與柱腹板螺栓一個節(jié)點的接觸滑動歷史。圖16顯示了試件試驗連接頂角鋼與梁翼緣的螺栓荷載-位移曲線,試驗曲線反映出,在梁端荷載達到33.1kN之后的一個加載步中,螺栓的位移值突然加大(由0.292mm增加到1.290mm,由于按照位移控制加載,加載步比較大,沒有測到荷載的下降)。螺栓的突然滑移會造成連接剛度的突然降低,變形加大,影響連接的效果。但是受拉角鋼接觸狀態(tài)突然改變的現(xiàn)象只發(fā)生在加載后期,梁柱之間的相對轉(zhuǎn)角已很大了,正常使用荷載下不會出現(xiàn),因此連接設(shè)計時不用考慮。除了受拉角鋼與柱腹板連接螺栓以外的其他螺栓滑移量要小得多,那些螺栓連接的板件接觸狀態(tài)比較穩(wěn)定。5節(jié)點結(jié)構(gòu)及頂角鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計本文利用有限元軟件分析了梁柱頂?shù)捉卿撊踺S連接的性能。為與試驗結(jié)果作對比,有限元模型與試驗試件相同。有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合程度較好。對有限元計算結(jié)果的分析得到以下幾點主要結(jié)論:(1)頂?shù)捉卿撊踺S連接屬于典型的半剛性連接。連接具備一定的彎矩承載能力,其塑性剛度較低,但變形能力很好。(2)在梁端集中荷載作用下,節(jié)點受拉區(qū)域的角鋼、螺栓以及柱腹板受力集中,變形明顯,是梁柱產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動變形的主要組件。節(jié)點組件的變形以底角鋼水平肢螺栓固定處為轉(zhuǎn)動中心。(3)與強軸連接不同,對于腹板角鋼弱軸連接,在柱腹板過于薄弱時連接的變形模式會改變,柱腹板可能成為連接強度和變形模式的控制組件,不利于