上下翼缘角钢半刚性梁柱节点的力学性能研究

上下翼缘角钢半刚性梁柱节点的力学性能研究 上下翼缘角钢半刚性梁柱节点的力学性能 研究 【文章编号】1007.9467(2006)12-0049.03 上下翼缘角钢举IjJ:生梁轻苇 力学牲能研究 一向芳',詹根华z.刘世美' (1,浙江建设职业技术学院,杭州3l1231;2,杭州建工集团有限责任公司,杭州 310016) 【摘要】上下翼缘角钢梁柱节点是一种典型的半刚性梁柱 节点.其节点各个组成部分的几何参数变化将导致其力学 性能发生改变采用非线性有限元分析方法,对这种节点进 行精细模拟,从而得出影响其力学性能的主要参数. 【关键词】上下角钢;半川忤:有限亡 【中图分类号】Tu392.1【文献标识码】A StudyonMechanicalBehaviorofTopand SeatAngleConnections XIANGFang', ZHANGen-hua,LIUShi?mei' (1.Zhejiangcollegeofconstruction,Hangzhou311231,China; 2,HangzhouJiangonggroupCo.,Ltd,Hangzhou310016,China) [Abstract]Topandseatangleconnectionsisatypicalsemirigid beamtocolumnconnection.Mechanicalbehaviorwillchangewith anydeferenceongeometryfactorsofthisconnection.Thispaper describesafiniteelemenanalysisfortheconnection,thenthemain geometryfactorswhichinfluenceitsmechnicalbehaviorwillbe accessed. [Keywords]topandseatangle;semirigid;finiteelemen 1引言 梁柱节点是钢框架中的关键连接部分,其连接 性能直接影响整个框架在荷载作用下的整体行为. 试验研究表明,实际工程中运用的全部连接形式所 具有的刚度,都处在完全刚性和理想铰接这两种极 端情况之间,即半刚性连接【卜【.七下角钢梁柱连 譬构设计JArchitecturdandstructuralDesign1 点韵'',I.-_., 接作为一种典型的半刚性连接,由于其用料省,施 工快捷,节点具有良好的延性和耗能能力而受到越 来越广泛的关注.由于组成这种节点材料本身的不 连续,节点是由高强螺栓,型钢,角钢等组合而成, 在不同荷载的作用下会产生滑移和挫动.节点任一 几何参数的变化将导致其力学性能发生变化.本文 对上下翼缘角钢这种半刚性连接采用非线性有限 元软件ANSYS进行精细分析,得出连接的弯矩转 角曲线并进一步探讨了上下翼缘角钢半刚性连接 节点的受力性能,为今后半刚性梁柱连接的设计提 供了极有价值的参考. 2有限元分析模型 采用有限元软件ANSYS对如图1所示上下角 钢连接节点进行了分析,节点模型尺寸见表1,其 中模型l1与模型33为未施加预拉力的相应模型. 为了验证分析的可靠性,采用文献[4]中的双线性强 化材料模型来精确模拟结构材料的力与变形之间 的关系.对对粱,柱及拼接件角钢采用双线性应力 应变材料的solid45单元模拟,如图2所示.对螺栓 头,栓杆,螺帽采用另一种双线性应力应变材料的 solid45单元模拟,如图3所示.在角钢和柱翼缘接 触面以及角钢和梁翼缘接触面之间采用contact174 单元和target170单元建立接触对.通过预拉单元 49 J建筑与结构设计 ^cfmdstructuralDe5谛I prets179对高强螺栓施加预拉力. . jF 图1上下角钢梁柱节点模型 表1节点模型尺寸 00000013100020003000400050.006 应变 图2梁柱及角钢应力一应变曲线 800 6O0 重 营00 200 0.00000020004000600080.0100012 应变 图3高强螺栓应力一应变曲线 3模型网格划分 为了节约计算时间,对整个试件沿梁高方向的 腹板中心线及柱腹板的中心线取对称,模拟l/4模 型.由于钢结构梁,柱的板件较薄,而六面体单元的 三个方向的尺寸不能悬殊太大,板的厚度成为制约 单元划分多少的重要因素.所有规则划分的六面体 单元的其它两个方向的长度均大致取为板的厚度. n 在连接节点区,由于螺栓开洞的影响,为规则划分 带来了很大的困难,改为自由划分.上下翼缘角钢 梁柱连接节点的有限元网格划分如图4所示. 图4节点模型网格划分 4求解 本文研究不考虑几何缺陷的的影响,也不考虑 诸如螺栓洞口边缘的非线性或者由于螺栓撬力韵 大小不均匀所引起角钢的应力变化.剪力通过施加 预拉力的螺栓来传递.同时假设螺栓在洞边界没有 接触.采用前置条件共轭梯度法(PcG)求解器来对 联立方程组进行求解.对梁的两端施加铰接约束, 沿梁,柱的腹板中心线分别施加对称约束.外力以 位移的方式施加于短柱端头板的中心节点上.首先 对高强螺栓施加预拉力,划分十个子步.第二个荷 载步对柱顶施加位移,同时分为若干子步.每一子 步都写入结果文件,以确保能够比较完整的 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 节 点的弯矩一转角曲线.迭代时采用更新的拉格朗日 列式,三阶高斯积分.每一子步的迭代收敛精度取 为.每一个荷载步写成一个荷载步文件,依次写入 所有的荷载步文件,并一次全部求解. 5计算结果 通过ANSYS有限元分析,可以得到上下翼缘 角钢梁柱半刚性节点的弯矩一转角曲线.本文通过改变 拼接件角钢的厚度,螺栓直径,角钢竖肢中螺杆轴线至 梁翼缘问的距离以及连接是否施加预拉力来考察各种 因素对节点的受力性能的影响.ANSYS模拟分析得 到的梁柱节点弯矩一转角曲线如图5所示. 0000000600100015002000260030 辅钝 图5各节点模型的弯矩一转角曲线 建筑与结构设计l An'hitect~valstructlzralDesignI 6结论 模型l2采用文献[4]中的计算模型,其汁算 结果与试验结果相比较,误差在允许范围内,从而 说明了分析的可靠性,给今后的试验研究和工程应 用带来极大的方便.南以上计算分析可知影响上卜 翼缘角钢半刚性节点受力性能的因素较多.对于不 同的构造,节点的初始刚度及极限承载力相差较 人. 1)角钢为梁柱连接节点的薄弱环节,增加角钢 的厚度可以明显提高连接节点初始转动刚度和极 限抗弯承载力. 2)与柱翼缘相连的螺栓杆轴线到角钢肢背间 的距离(图1中g)对节点的承载力影响较人.节点 的抗弯承载力随着g值的增大而减小.【大】此在实际 的梁柱节点设计中,高强螺栓在满足排列和构造要 求的前提下,应尽量靠近梁受拉翼缘布置. 3)螺栓直径越大,节点的极限抗弯承载力越 高. 4)预拉力的施加有利于提高节点的初始转动 刚度,但承受弯矩的能力随着转角的增人而逐渐接 近. 【参考文献】 【1】陈惠发,周绥甲.钢框架稳定设计【M1._【:海:界书山版 公司,1999. 1121顾正维,孙炳楠,童根树.螺栓角制钢节点的维非线性 有限元分析[J].钢结构,2003,2(18):48~52. [31陈绍蕃.门式刚架端板螺栓连接的强度和刚度[J].制结 构,2000,1(15):6-11, [4]Azizinamimi,A,Bradburn,J.H.andRadziminski,J.B.Static andCyclicBehaviorofSemiRigidSteelBeam—Column Connections[M].Columbia,S.C:DepartmentofCivil Engineering.UniversityofSouthCarolina,1985. 【收稿日期】2006—07—20 t每 向芳(1980~),女,讲师,从事钢结构工的教学 及科研工作.(E—mail)x.fang302@163.tom 51 ?帕???;己??????0 }为,豆