鋼結(jié)構(gòu)箱形柱與工字梁剛性節(jié)點(diǎn)受力性能分析

鋼結(jié)構(gòu)箱形柱與工字梁剛性節(jié)點(diǎn)受力性能分析

節(jié)點(diǎn)區(qū)域起到了傳遞梁柱之間力和彎曲的作用，使節(jié)點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜。在翼端的，有非常大的向上的力，而在腹部的，有非常大的剪應(yīng)力。在這些復(fù)雜的力的作用下，節(jié)點(diǎn)區(qū)域可能會(huì)發(fā)生軸向變形、剪切變形和彎曲變形。許多科學(xué)家已經(jīng)研究了節(jié)點(diǎn)區(qū)域的強(qiáng)度和變形性能。研究表明，節(jié)點(diǎn)區(qū)域主要是剪切變形。國內(nèi)外科學(xué)家對(duì)h鋼柱與h鋼柱翼緣相連的節(jié)點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行了研究，但對(duì)h柱與箱形柱相連的節(jié)點(diǎn)區(qū)域的研究較少。在這項(xiàng)工作中，使用ansys軟件對(duì)連接到工字梁和箱形柱的節(jié)點(diǎn)區(qū)域的性能進(jìn)行了有限分析。1材料有限元模型1971年Krawinkler為了研究節(jié)點(diǎn)域的性能進(jìn)行了一系列試驗(yàn),其中SpecimenA采用ASTMA36鋼,柱截面W8×24,梁截面W10×15,整體模型見圖1.有限元模型見圖2,采用Shell181單元,該單元能夠考慮材料非線性、幾何非線性和初應(yīng)力的影響.Shell181屬于“厚”殼單元,包含彎曲、薄膜和橫向剪切效應(yīng),符合Reissner/Mindlin理論.扇形切角部分網(wǎng)格劃分采用三角形單元,其余部分采用矩形單元.有限元所得的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較見圖3,通過比較可以看出有限元模型在屈服點(diǎn)和極限強(qiáng)度方面的模擬結(jié)果都比較準(zhǔn)確,但在最后的塑性剛度比試驗(yàn)結(jié)果偏低.可能是有限元試驗(yàn)構(gòu)件的本構(gòu)關(guān)系的差異造成的.2節(jié)點(diǎn)域有限元模型的建立在鋼框架結(jié)構(gòu)中的梁翼緣連接處,在箱形柱中要設(shè)置隔板.在國內(nèi)采用箱形柱的情況也比較多.1991年王越和石選民對(duì)箱形柱和工字型梁組成的節(jié)點(diǎn)域進(jìn)行試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)箱形柱和工字型梁組成的節(jié)點(diǎn)域不能簡(jiǎn)單套用H型鋼柱節(jié)點(diǎn)域公式.箱形柱和工字型梁組成的節(jié)點(diǎn)域兩片腹板剪應(yīng)力分布不均勻.雖然箱形柱腹板相對(duì)H型鋼柱腹板較厚,但是節(jié)點(diǎn)域剪切變形對(duì)結(jié)構(gòu)的整體變形有很大影響.箱形柱節(jié)點(diǎn)域的有限元分析整體模型和加載方式見圖4,節(jié)點(diǎn)域的變形和剪應(yīng)力分布見圖5.節(jié)點(diǎn)域剪力為V=(Mb1+Mb2db)?(Vc1+Vc22).V=(Μb1+Μb2db)-(Vc1+Vc22).式中:Mb1,Mb2分別為節(jié)點(diǎn)域兩邊的梁彎矩;Vc1,Vc2分別為上下柱的剪力;db為梁截面高度.3有限元分析結(jié)果假定在梁和柱腹板之間剪力為V/2,假定在梁寬范圍內(nèi)剪力值為V/4.根據(jù)假定推出隔板的剪切變形的等效剛度Kcone=4?conedbdctconG2bc?bb.Κcone=4?conedbdctconG2bc-bb.式中:bc為柱寬;bb為梁寬;dc為柱截面高度;tcon為隔板厚;G為剪切模量;?cone為隔板周邊約束的剛度影響系數(shù).同理節(jié)點(diǎn)域的剛度方程為Kpze=?pzedctwG.Κpze=?pzedctwG.式中:tw為柱腹板厚度,2倍箱形柱板厚.為了確定參數(shù)?cone和?pze,選表1的構(gòu)件進(jìn)行分析計(jì)算.E=2×1011N/m2,Fy=2.35×108N/m2,加勁肋與翼緣等厚.通過對(duì)有限元結(jié)果分析,歸納得下兩式,有限元結(jié)果與公式結(jié)果比較見圖8當(dāng)柱截面高度dc<0.7時(shí)?cone=0.58dc√3+4tw?8tcontcon(0.035?0.05dc).?cone=0.58dc3+4tw-8tcontcon(0.035-0.05dc).式中:tcon為隔板厚;tw為柱腹板厚度,2倍箱形柱板厚.當(dāng)柱截面高度dc≥0.7時(shí)?cone=0.58dc√3.?cone=0.58dc3.通過有限元結(jié)果可以看出,當(dāng)其他參數(shù)相同,隨著箱型柱截面尺寸的增高,?cone逐漸減小,隨著箱型柱腹板厚度的增加,?cone逐漸增大.這是由于在加勁肋剛度的推導(dǎo)過程中假定加勁肋的邊界為剛性桿連接.而實(shí)際柱腹板對(duì)加勁肋的約束達(dá)不到剛性,而且當(dāng)箱型柱腹板厚度一定,隨著柱高的增加,這種約束越來越弱.所以隨著箱型柱截面的增高,?cone逐漸減小.另一方面,當(dāng)柱截面高度一定,隨著柱腹板厚度的增加,對(duì)加勁肋的約束也增強(qiáng),?cone就會(huì)增大.由圖9可以看出近似取?pze=0.95是可以的,這與王越和石選民的實(shí)驗(yàn)是一致的.4節(jié)點(diǎn)有限元分析文獻(xiàn)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)箱形柱工字梁節(jié)點(diǎn)兩側(cè)板域內(nèi)最大剪應(yīng)力分布呈明顯的不均勻性,并確定不均勻系數(shù)K=0.85.由此確定,節(jié)點(diǎn)域的屈服強(qiáng)度為Vpzy=0.85×0.55dctwFy=0.48dctwFy.Vpzy=0.85×0.55dctwFy=0.48dctwFy.另外試驗(yàn)證明Krawinkler模型仍適用.兩側(cè)板域內(nèi)最大剪應(yīng)力分布的不均勻不會(huì)對(duì)極限承載力產(chǎn)生影響.故參照AISC規(guī)范確定極限承載力為Vpzu=0.6dctwFy(1+3bct2cfdbdctw).Vpzu=0.6dctwFy(1+3bctcf2dbdctw).為了分析確定隔板的強(qiáng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)變形的影響,對(duì)表2各組構(gòu)件進(jìn)行分析,其中柱節(jié)點(diǎn)域和梁設(shè)為彈性,柱截面板厚20mm.表中未標(biāo)明尺寸參見構(gòu)件編號(hào).其余部分彈性模量E=2×1011N/m2,屈服應(yīng)力Fy=2.35×108N/m2,加勁肋與翼緣等厚.所得屈服剪力Vcony和極限承載力Vconu結(jié)果如圖10所示.有限元分析發(fā)現(xiàn)加勁肋存在兩種屈服模式,一種是靠近梁端的受拉或受壓屈服;另一種是靠近柱腹板的受剪屈服,如圖11所示.當(dāng)受拉或受壓區(qū)屈服時(shí),假設(shè)應(yīng)力在梁寬范圍內(nèi)均勻分布,那么Vcony=2bbtconFy.Vcony=2bbtconFy.式中:Vcony為屈服剪力.當(dāng)加勁肋受剪屈服時(shí),假設(shè)應(yīng)力在梁寬范圍內(nèi)均勻分布,那么Vcony=2dctconFy3√.Vcony=2dctconFy3.由兩式比較可以看出,當(dāng)dc>3√c>3bb時(shí),加勁肋受拉或受壓屈服;當(dāng)dc<3√c<3bb時(shí),加勁肋受剪屈服.在圖10中當(dāng)梁寬較小時(shí),Vcony變化較大且基本與梁寬成正比.這是因?yàn)?此時(shí)加勁肋的屈服是由受拉或受壓屈服引起的,梁寬起決定性的作用.另一方面,當(dāng)梁寬較大時(shí),Vcony變化較小.此時(shí)加勁肋受剪屈服,梁寬影響不大.考慮應(yīng)力分布不均勻的影響,根據(jù)有限元分析結(jié)果確定Vcony為Vcony={1.8bbtconFy1.04dctconFydc>3√bb;dc<3√bb.Vcony={1.8bbtconFydc>3bb;1.04dctconFydc<3bb.通過極限承載力圖看出極限承載力Vconu和梁寬始終成正比關(guān)系.這由于無論因?yàn)楹畏N原因加勁肋屈服后,柱翼緣都會(huì)參與工作,最終導(dǎo)致加勁肋受拉區(qū)和受壓區(qū)破壞.因此確定極限承載力Vconu為Vconu=2bbtconFy.Vconu=2bbtconFy.箱形柱2字梁組成的節(jié)點(diǎn)域,當(dāng)采用內(nèi)置隔板時(shí),在側(cè)向荷載的作用下,在隔板上將產(chǎn)生很大的剪切變形.5極限承載力梁寬箱形柱工字梁組成的節(jié)點(diǎn)域,當(dāng)采用內(nèi)置隔板時(shí),在側(cè)向荷載的作用下,在隔板上將產(chǎn)生很大的剪切變形.1)當(dāng)梁寬較小時(shí),加勁肋的屈服是由受拉或受壓屈服引起的,梁寬起決定性的作用.2)當(dāng)梁寬較大時(shí),隔板受剪屈服,梁寬影響不大.但是極限承載力梁寬始終成正比關(guān)系.由圖5可以看出,節(jié)點(diǎn)域以剪切變形為主.右側(cè)梁上翼緣與柱翼緣的連接處,柱翼緣在梁上翼緣拉力的作用下向外凸;右側(cè)梁下翼緣與柱翼緣的連接處,柱翼緣在梁下翼緣壓力的作用下向里凹.對(duì)于箱形柱和工字型梁組成的節(jié)點(diǎn)域,梁上的彎矩是由隔板傳到柱腹板的,柱腹