趙　磊

(云南建投鋼結(jié)構(gòu)有限公司，云南 昆明　650217)

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基于附設(shè)扇形鋼支撐節(jié)點(diǎn)的有限元分析

趙磊

(云南建投鋼結(jié)構(gòu)有限公司，云南 昆明650217)

介紹了新型扇形鋼支撐的構(gòu)造和工作機(jī)理，并采用ABAQUS有限元軟件，分別對普通鋼節(jié)點(diǎn)、狗骨式節(jié)點(diǎn)及附設(shè)扇形鋼支撐節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜力彈塑性分析，對比了三種節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布及塑性區(qū)發(fā)展過程，指出新型扇形鋼支撐可有效減小節(jié)點(diǎn)附近的應(yīng)力集中，在不削弱鋼梁的情況下，使部分塑性區(qū)域轉(zhuǎn)移至支撐，保證了節(jié)點(diǎn)及主要構(gòu)件的安全性。

扇形鋼支撐，彈塑性分析，狗骨式節(jié)點(diǎn)，鋼節(jié)點(diǎn)

0　引言

節(jié)點(diǎn)連接是保證鋼結(jié)構(gòu)安全的重要部位，對結(jié)構(gòu)受力有著重要影響。根據(jù)世界震害實錄分析表明，許多鋼結(jié)構(gòu)都是由于節(jié)點(diǎn)首先破壞而導(dǎo)致建筑物整體破壞的[1,2]。因此節(jié)點(diǎn)設(shè)計是整個設(shè)計工作的重要環(huán)節(jié)。高層鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的受力狀況比較復(fù)雜，構(gòu)造要求相當(dāng)嚴(yán)格，除理論分析外，美、日等國很早就對高層鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)性能進(jìn)行試驗研究，我國所制定的“高鋼規(guī)程[3]”除采用國外比較成熟的做法外，也進(jìn)行了必要的試驗研究工作，為節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造和計算提供了依據(jù)。本文針對新型扇形鋼支撐節(jié)點(diǎn)，采用ABAQUS6.12有限元軟件進(jìn)行彈塑性分析，并與傳統(tǒng)構(gòu)造形式的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對比，以說明新型節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

1　傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)塑性鉸轉(zhuǎn)移方式

節(jié)點(diǎn)抗震性能的改進(jìn)措施分為兩個方向：1)增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)區(qū)域，使塑性鉸從節(jié)點(diǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)移至梁上，可通過加腋或加蓋板等方式對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)；2)削弱節(jié)點(diǎn)附近區(qū)域，從而使塑性鉸轉(zhuǎn)移，其主要方式為對梁翼緣進(jìn)行局部削弱(狗骨形節(jié)點(diǎn)或腹板開槽節(jié)點(diǎn)[4])。最終這兩種改進(jìn)措施都達(dá)到了“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計目標(biāo)[5]。

2　扇形支撐的工作原理

本文提出的扇形鋼支撐節(jié)點(diǎn)，通過在梁柱之間附設(shè)扇形鋼支撐，將塑性區(qū)域由節(jié)點(diǎn)域轉(zhuǎn)移至支撐處，使非重要構(gòu)件承擔(dān)一定的塑性變形，從而保證了節(jié)點(diǎn)和主要構(gòu)件的安全性。

扇形支撐的構(gòu)造示意圖如圖1所示，在一般情況下，扇形支撐和普通支撐的作用相同，在罕遇地震作用下，扇形支撐允許兩弧形翼緣發(fā)生相對錯動，通過腹板屈曲，達(dá)到一定的耗能目的。腹板開槽，使其在地震作用下優(yōu)先屈服。

3　節(jié)點(diǎn)有限元分析

3.1材料本構(gòu)

采用ABAQUS6.12對鋼管混凝土的普通梁柱節(jié)點(diǎn)，狗骨式節(jié)點(diǎn)以及附設(shè)扇形支撐的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜力彈塑性分析，其中，鋼材采用Q345，混凝土采用C50，鋼材料本構(gòu)模型采用鋼雙線性模型，考慮包辛格效應(yīng)，假定無剛度退化，混凝土材料本構(gòu)采用ABAQUS所提供的基于塑性的連續(xù)體損傷模型。本構(gòu)模型如圖2,圖3所示。

3.2模型建立

鋼節(jié)點(diǎn)模型如圖4所示，柱子為鋼管混凝土柱，方鋼管壁厚15 mm；鋼梁采用H型鋼，翼緣和腹板厚度均為15 mm。單元類型為實體單元C3D8R。A點(diǎn)(柱上端)釋放豎向約束，施加豎向荷載2 540 N，B,C兩點(diǎn)施加反對稱正弦集中荷載，峰值為600 kN；D點(diǎn)采用完全固定約束。扇形支撐翼緣厚度為15 mm，腹板厚度10 mm。

3.3有限元分析結(jié)果

對有限元模型采用靜力隱式方法進(jìn)行彈塑性分析，提取16 s時刻應(yīng)力云圖及計算結(jié)果，不同節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力云圖及塑性區(qū)域分布如圖5～圖7所示。

由應(yīng)力云圖和塑性云圖可知，鋼管內(nèi)混凝土未出現(xiàn)塑性變形，普通梁柱節(jié)點(diǎn)附近應(yīng)力集中明顯，且出現(xiàn)較大范圍的塑性變形；狗骨式節(jié)點(diǎn)，最大應(yīng)力和塑性區(qū)域出現(xiàn)在鋼梁削弱區(qū)段，梁柱連接處應(yīng)力較小，但由塑性分布云圖可知，削弱翼緣會使梁段出現(xiàn)大面積塑性區(qū)域，明顯降低了主要構(gòu)件的安全性能；在普通梁柱節(jié)點(diǎn)附設(shè)扇形支撐后，左側(cè)鋼梁塑性區(qū)域未發(fā)生變化；右側(cè)節(jié)點(diǎn)附近應(yīng)力及塑性區(qū)域減小，僅腹板和翼緣連接處出現(xiàn)塑性。且從塑性分布云圖可知，新型節(jié)點(diǎn)可有效將塑性變形轉(zhuǎn)移至扇形支撐附近。對三種節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時程(S22應(yīng)力，沿梁方向應(yīng)力)進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖8～圖10所示。測點(diǎn)均位于梁柱結(jié)合處，其中，測點(diǎn)1位于上翼緣與腹板結(jié)合處；測點(diǎn)2位于腹板中間；測點(diǎn)3位于上翼緣邊緣。

對比測點(diǎn)1的應(yīng)力時程可知：在第一個荷載峰值處(16 s附近)，削弱梁段和附設(shè)扇形支撐均可有效減小節(jié)點(diǎn)附近的應(yīng)力，其中普通節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為470.37 MPa；狗骨式節(jié)點(diǎn)為462.29 MPa，應(yīng)力減小2%；附設(shè)扇形支撐節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為457.05 MPa，應(yīng)力減小3%。第二個峰值處(48 s附近)，普通節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為472.39 MPa；狗骨式節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力為470.22 MPa；附設(shè)扇形支撐節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為457.38 MPa。狗骨式節(jié)點(diǎn)應(yīng)力提升幅度較大。

對比測點(diǎn)2的應(yīng)力時程可知：在第一個荷載峰值處，削弱梁段可明顯減小節(jié)點(diǎn)附近的應(yīng)力，其中普通節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為200.32 MPa；狗骨節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為140.75 MPa；附設(shè)扇形支撐節(jié)點(diǎn)為238.19 MPa。說明狗骨節(jié)點(diǎn)可顯著減小梁端腹板處應(yīng)力。在第二個荷載峰值處，普通節(jié)點(diǎn)應(yīng)力提高10.83%；狗骨式節(jié)點(diǎn)應(yīng)力提高50.36%；附設(shè)扇形支撐節(jié)點(diǎn)提高0.46%。狗骨式節(jié)點(diǎn)應(yīng)力提升幅度較大。附設(shè)扇形支撐節(jié)點(diǎn)應(yīng)力較大，但在荷載作用過程中，未出現(xiàn)應(yīng)力突變。

對比測點(diǎn)3的應(yīng)力時程可知：附設(shè)扇形支撐可有效減小節(jié)點(diǎn)附近應(yīng)力。

由以上數(shù)據(jù)可得出結(jié)論：削弱梁段可有效減小節(jié)點(diǎn)附近腹板處應(yīng)力，但在往復(fù)荷載作用下，其安全性能有所降低；附設(shè)扇形支撐節(jié)點(diǎn)后，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化穩(wěn)定，且可大幅度減小翼緣處應(yīng)力，在往復(fù)荷載作用下，可有效保證節(jié)點(diǎn)的安全性能。對S22應(yīng)力和E22應(yīng)變的最大值進(jìn)行匯總，匯總結(jié)果見表1，表2。

表1　不同測點(diǎn)應(yīng)力對比　MPa

表2　不同測點(diǎn)應(yīng)變對比

由表1，表2對比結(jié)果可知，狗骨式節(jié)點(diǎn)和附設(shè)扇形支撐節(jié)點(diǎn)，大部分應(yīng)力和應(yīng)變均在一定程度上有所減小，且翼緣邊緣減小明顯。

4　結(jié)語

本文提出在梁柱節(jié)點(diǎn)附設(shè)扇形支撐的加固措施，采用ABAQUS有限元軟件分別對三種節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜力彈塑性分析，分析結(jié)果表明：狗骨式節(jié)點(diǎn)可有效減小節(jié)點(diǎn)附近應(yīng)力，但在往復(fù)式荷載作用下，沿梁方向正應(yīng)力明顯增大，即可推斷在地震作用下，狗骨式節(jié)點(diǎn)的安全性能下降明顯。附設(shè)扇形支撐節(jié)點(diǎn)，可將部分塑性變形轉(zhuǎn)移至鋼支撐附近，在往復(fù)荷載作用下，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化不大，由此可知，在地震作用下，附設(shè)扇形支撐可顯著提高節(jié)點(diǎn)及主要構(gòu)件的安全性。

[1]聶正春，李明全.鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震措施簡述[J].四川建筑,2010，4(30):183-185.

[2]陳自全，彭修寧，林海.鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震措施研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報,2008,6(33):11-14.

[3]GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[4]李巖，郝際平，周琦，等.節(jié)點(diǎn)域無加勁肋的鋼框架栓焊連接邊節(jié)點(diǎn)的半剛性及其初始剛度[J].工業(yè)建筑，2011，9(41)：120-123.

[5]張曉霞.鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計方法探討[J].山西建筑，2011，37(5)：43-44.

Finite-element analysis of steel joint attached fan brace

Zhao Lei

(Yunnan Construction Steel Structure Co., Ltd, Kunming 650217, China)

The new type of fan brace structure and working mechanism are introduced, an analysis model of general steel joint, dog-bone joint and the attached fan brace joint are developed by using software ABAQUS, the static elastoplastic analysis is used. Compare the stress distribution of the three kinds of joints and conclude that the new type of fan brace can effectively reduce the stress concentration near the joint. The plastic zone moved to brace in the case of not weaken the steel beam, and ensure the safety of main components and the joint.

the fan steel brace, elastic-plastic analysis, the dog-bone joint, steel joints

1009-6825(2016)25-0053-03

2016-06-13

趙磊(1988- )，男，助理工程師

TU311.41

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