桂 韜

由于半剛性連接節(jié)點(diǎn)考慮了內(nèi)力重分配,能充分發(fā)揮材料強(qiáng)度,因此使設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)合理[1,2]。鋼框架中采用半剛性連接通常比剛接費(fèi)用少,施工簡(jiǎn)便,與鉸接相比,能有效減小梁的高度,增加建筑凈空。美國(guó)、歐洲、英國(guó)、澳大利亞等國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中都已對(duì)半剛性節(jié)點(diǎn)有明確的分類,允許設(shè)計(jì)者在結(jié)構(gòu)鋼框架設(shè)計(jì)中明確的考慮連接特性。但由于半剛性節(jié)點(diǎn)工作特性的復(fù)雜性,我國(guó)規(guī)范允許設(shè)計(jì)人員在有明確的節(jié)點(diǎn)彎矩—轉(zhuǎn)角關(guān)系時(shí)采用半剛性設(shè)計(jì),但沒有具體的規(guī)定。在空間鋼框架研究方面,建立了考慮各種影響因素的有限元分析,但還存在不同的缺陷,有待進(jìn)一步驗(yàn)證。對(duì)于空間鋼框架的研究,國(guó)內(nèi)做了許多工作[3,4,6]。變形一般是半剛性框架設(shè)計(jì)的控制因素,本文對(duì)半剛性框架進(jìn)行有限元模擬。

1 半剛性框架有限元模型

本文選擇了兩層三跨、四層三跨及六層三跨組合鋼框架進(jìn)行分析。假定梁—柱節(jié)點(diǎn)為半剛性連接節(jié)點(diǎn),半剛性節(jié)點(diǎn)用非線性彈簧表示。采用通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)兩層三跨、四層三跨及六層三跨組合框架進(jìn)行了分析,框架柱采用HW300×300×10×15,框架梁采用HW200×200×12×8。柱距為9 000,跨度為6 000,層高為3 000 mm。六層框架結(jié)構(gòu)有限元模型見圖1。

2 半剛性框架單元選取及加載

在有限元分析中,梁柱均采用Beam188梁?jiǎn)卧eam188三維有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧墙⒃赥imoshenko梁理論基礎(chǔ)上的空間梁?jiǎn)卧?考慮桿件的剪切變形和應(yīng)力硬化,能夠分析桿件的受彎、側(cè)移、扭轉(zhuǎn)問題,可用于一般長(zhǎng)度或中等短粗梁的分析,是三維兩節(jié)點(diǎn)線型單元。梁柱節(jié)點(diǎn)均采用Combin14彈簧單元,此單元有徑向和扭轉(zhuǎn)的性能,可用于一維、二維、三維分析。有限元模型的加載采用靜力加載。材料采用Q235鋼。在考慮材料的非線性時(shí),采用ANSYS多線性隨時(shí)強(qiáng)化選項(xiàng),材料屈服遵從Von Mises屈服準(zhǔn)則及相關(guān)流動(dòng)法則。半剛性節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度選取,k=α EI/H,取α=1,2,4。I和 H分別為框架柱的剛度和長(zhǎng)度。半剛性節(jié)點(diǎn)的彎矩轉(zhuǎn)角曲線,采用二折線模型。門式剛架柱距為6.0 m,作用于結(jié)構(gòu)的荷載為屋蓋自重0.25 kN/mm2,基本雪壓 S0=0.4 kN/mm2,基本風(fēng)壓 ω0=0.50 kN/mm2。

3 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)結(jié)構(gòu)施加荷載,各框架彎矩圖見圖2(以六層三跨為例)。各框架側(cè)移如表1所示。

表1 各結(jié)構(gòu)框架側(cè)移

根據(jù)GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)側(cè)移的規(guī)定,層間位移限值為h/400,結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移為H/500。由于計(jì)算模型層高均為3 000 mm,因而層間相對(duì)位移限值[δ]=3 000/400=7.5 mm。結(jié)構(gòu)一的總高度為6 000 mm,結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移限值[Δ]=6 000/500=12 mm;結(jié)構(gòu)二的總高度為12 000 mm,結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移限值為[Δ]=12 000/500=24 mm;結(jié)構(gòu)三的總高度為18 000 mm,結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移限值為[Δ]=18 000/500=36 mm?？蚣芙Y(jié)構(gòu)在所采用的節(jié)點(diǎn)剛度其水平位移均低于規(guī)范限值。

1)隨節(jié)點(diǎn)剛度增強(qiáng),整個(gè)剛架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布發(fā)生了較大變化,當(dāng)剛度增大到一定程度,結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化趨于穩(wěn)定。2)從表1可以看出,隨著半剛性節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的增加,樓層相對(duì)變形變小。隨著框架結(jié)構(gòu)高度的增加,樓層位移的增幅較大。半剛性連接框架結(jié)構(gòu)與剛性連接框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的變形特征相似,樓層位移由下至上依次增加,層間相對(duì)位移由上至下依次增大。有限元模型計(jì)算結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)剛度改變會(huì)引起空間鋼框架頂點(diǎn)側(cè)移發(fā)生變化,梁柱半剛性連接鋼框架具有較大的變形能力,隨著層數(shù)的增加這種影響更加明顯。3)層數(shù)對(duì)于半剛性連接的側(cè)移有較大影響。在相同層數(shù)的條件下,隨著連接剛度的降低,結(jié)構(gòu)的樓層位移增幅較為明顯,層間位移角也相應(yīng)增大。隨著節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的減小,邊柱所受的彎矩明顯增大,隨層數(shù)的增加,節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)空間鋼框架位移和內(nèi)力的影響更明顯。

4 結(jié)語

節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)多層鋼框架的變形有很大影響。節(jié)點(diǎn)剛度的變化,造成結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的變化,因此應(yīng)根據(jù)不同的連接剛性,來進(jìn)行不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。應(yīng)通過參數(shù)分析,研究了不同剛度的變化對(duì)半剛性框架位移的影響,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)性能,降低工程成本。

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