王慶江

鋼框架節(jié)點(diǎn)板受壓性能分析

王慶江

鋼框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)支撐連接方式以板式連接為主，其設(shè)計(jì)具有不同于GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的普通鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)板的特殊性。建立鋼框架結(jié)構(gòu)連接支撐的典型節(jié)點(diǎn)有限元模型，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)板受壓性能分析，總結(jié)了節(jié)點(diǎn)板厚度、無(wú)支長(zhǎng)度、支撐連接角度和加勁板厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)受力的影響規(guī)律。結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)板厚度和無(wú)支長(zhǎng)度對(duì)于節(jié)點(diǎn)板受壓性能影響較大，支撐連接角度影響較小。

鋼框架；節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)板；無(wú)支長(zhǎng)度；加勁板；支撐連接角度

鋼框架為工業(yè)特種結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)布置、荷載取值等方面具有較大的特殊性，但我國(guó)目前尚無(wú)針對(duì)此類特殊工業(yè)建筑的設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程，一般參照民用建筑設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)[1]。

鋼框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)支撐連接方式以板式連接為主，節(jié)點(diǎn)板為主要傳力構(gòu)件，由于鋼框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)板的自身特性，其設(shè)計(jì)具有不同于GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的普通鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)板的特殊性。為了滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)思想，節(jié)點(diǎn)板應(yīng)當(dāng)具有足夠的承載力，為保證其不先于支撐失穩(wěn)，需對(duì)節(jié)點(diǎn)板的受壓性能進(jìn)行深入研究[2]。

應(yīng)用有限元軟件ANSYS，以天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司某項(xiàng)目的鋼框架結(jié)構(gòu)為例，通過分析節(jié)點(diǎn)板厚度、無(wú)支長(zhǎng)度、支撐連接角度和加勁板厚度等多種因素對(duì)節(jié)點(diǎn)受力的影響，總結(jié)提出設(shè)計(jì)建議。

1 節(jié)點(diǎn)板受壓性能影響因素確定

1.1 節(jié)點(diǎn)板受壓性能主要影響因素

鋼框架結(jié)構(gòu)連接支撐的節(jié)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)板相關(guān)尺寸如圖1所示，根據(jù)節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)確定節(jié)點(diǎn)板受壓性能主要影響因素如下：

（1）未設(shè)置加勁板時(shí)：有節(jié)點(diǎn)板厚度t、支撐連接角度β、無(wú)支長(zhǎng)度L等三個(gè)因素。

（2）設(shè)置加勁板時(shí)：除上述三個(gè)因素外，同時(shí)考慮加勁板厚度tj的影響。

1.2 節(jié)點(diǎn)板受壓性能主要影響因素的取值范圍

節(jié)點(diǎn)板連接支撐兩側(cè)所預(yù)留的寬度w（圖2）取固定值30mm，支撐鋼管直徑取固定值508mm，上述影響因素的取值范圍如下：

（1）節(jié)點(diǎn)板厚度：取值分別為15mm、20mm、25mm和30mm。

（2）支撐連接角度：取值分別為30°（A）、37.5°（B）和45°（C）。

（3）無(wú)支長(zhǎng)度：取值分別為363mm（a）、563mm（b）、763mm（c）。

圖2 預(yù)留寬度w示意圖

無(wú)支長(zhǎng)度數(shù)值選取原則為，保證支撐同梁、柱等其他構(gòu)件不碰撞時(shí)確定無(wú)支長(zhǎng)度的最小值，保證支撐與節(jié)點(diǎn)板連接焊縫的長(zhǎng)度滿足支撐內(nèi)力的要求時(shí)確定無(wú)支長(zhǎng)度的最大值，其中最大值確定時(shí)需保證支撐端部距離節(jié)點(diǎn)板嵌固線＜4倍的節(jié)點(diǎn)板厚度[3]。

（4）加勁板厚度：設(shè)置加勁板時(shí)，加勁板厚度取值分別為8mm、12mm、16mm和20mm。

2 有限元模型建立

節(jié)點(diǎn)有限元模型如圖3所示。以單一變量為原則，調(diào)整各影響因素的取值，確定32個(gè)不同分析模型的編號(hào)及各模型所對(duì)應(yīng)的有效寬度bE，如表1所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)有限元模型

節(jié)點(diǎn)板采用4節(jié)點(diǎn)四邊形殼單元Shell181模擬，該單元具有處理塑性、大變形及大應(yīng)變的能力，節(jié)點(diǎn)板材料采用雙線性等向強(qiáng)化準(zhǔn)則，其中屈服強(qiáng)度為345N/mm2，彈性模量為2.06×105N/mm2，切線模量為2.06×103N/mm2（通常取彈性模量的1/100），其他構(gòu)件及板件采用的有限元單元與前文相同。

由于薄板受壓易發(fā)生失穩(wěn)破壞，節(jié)點(diǎn)板發(fā)生失穩(wěn)破壞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的平面外變形，且失穩(wěn)前板件有進(jìn)入塑性的可能，因此要在分析過程中同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)板材料與幾何非線性。初始幾何缺陷設(shè)置如下：先對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行彈性屈曲分析，提取模型平面外位移，對(duì)位移數(shù)值進(jìn)行歸一化處理，將處理結(jié)果乘以節(jié)點(diǎn)板厚度的5%后，作用在原結(jié)構(gòu)模型上，再對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行彈塑性屈曲分析。

在有限元分析的求解過程中，采用適合于非線性靜力分析的弧長(zhǎng)迭代法，該計(jì)算方法可以考察節(jié)點(diǎn)板發(fā)生失穩(wěn)后承載力的下降情況，可以提取失穩(wěn)時(shí)板件的應(yīng)力分布狀態(tài)，以確定板件發(fā)生整體或局部失穩(wěn)時(shí)是否已經(jīng)進(jìn)入塑性。設(shè)置初始每級(jí)荷載步為100kN，到達(dá)1 000kN之后荷載增量為50kN，以更準(zhǔn)確地確定節(jié)點(diǎn)板極限承載力Fu。

3 不同因素對(duì)節(jié)點(diǎn)板受壓性能影響分析

3.1 節(jié)點(diǎn)板厚度t的影響分析

不同支撐連接角度模型中，除節(jié)點(diǎn)板厚度外，其他尺寸均相同。支撐連接角度為37.5°時(shí)，節(jié)點(diǎn)板極限承載力隨板厚變化的曲線如圖4所示。

由圖4可知，隨節(jié)點(diǎn)板厚度的增加，節(jié)點(diǎn)板極限承載力增大；對(duì)于連接角度為37.5°的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)板厚度＞25mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)板極限承載力的增加速率減緩，節(jié)點(diǎn)板破壞模式由自由邊失穩(wěn)轉(zhuǎn)化為整體平面外失穩(wěn)。

表1 有限元模型編號(hào)及有效寬度值*，mm

圖4 節(jié)點(diǎn)板極限承載力Fu隨節(jié)點(diǎn)板厚度t變化的曲線

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因如下：

（1）節(jié)點(diǎn)板厚度決定節(jié)點(diǎn)板受壓截面面積的大小，當(dāng)節(jié)點(diǎn)板厚度增加時(shí)，在相同的壓力作用下，節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力下降，節(jié)點(diǎn)板極限承載力變大。

（2）節(jié)點(diǎn)板厚度的增加可增加節(jié)點(diǎn)板的平面外抗彎剛度，且節(jié)點(diǎn)板沿支撐軸線中心受壓部分長(zhǎng)細(xì)比隨之減小，節(jié)點(diǎn)板失穩(wěn)臨界力提高。

（3）節(jié)點(diǎn)板非中心受壓部分對(duì)節(jié)點(diǎn)板中心受壓部分起到一定的約束作用，隨節(jié)點(diǎn)板厚度的增加，約束作用增強(qiáng)。

（4）節(jié)點(diǎn)板的破壞分失穩(wěn)破壞和強(qiáng)度破壞兩種形式，失穩(wěn)破壞又分為整體失穩(wěn)、自由邊局部失穩(wěn)兩種模式，節(jié)點(diǎn)板極限承載力與節(jié)點(diǎn)板破壞模式密切相關(guān)。節(jié)點(diǎn)板厚度的變化導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)板破壞模式發(fā)生變化，故節(jié)點(diǎn)板承載力隨節(jié)點(diǎn)板厚度增長(zhǎng)的斜率有所變化。

圖6 不同節(jié)點(diǎn)板厚度節(jié)點(diǎn)板平面外變形圖（L1截面處）

以支撐連接角度為45°、無(wú)支長(zhǎng)度為563mm（xCb系列）節(jié)點(diǎn)板分析模型為例，分析節(jié)點(diǎn)板平面外位移變化，圖5給出了隨節(jié)點(diǎn)板厚度的增加，節(jié)點(diǎn)板位移的變化曲線，圖6給出了L1位置，不同節(jié)點(diǎn)板厚度節(jié)點(diǎn)板受壓區(qū)平面外變形圖。

由圖5、圖6可知：隨著節(jié)點(diǎn)板厚度的增加，節(jié)點(diǎn)板極限承載力增大，破壞時(shí)的最大應(yīng)力增大；隨著節(jié)點(diǎn)板厚度的增加，節(jié)點(diǎn)板平面外最大位移減小，厚度為30mm時(shí)，位移＜5mm，節(jié)點(diǎn)板已進(jìn)入塑性狀態(tài)，其破壞模式由發(fā)生較大平面外位移的失穩(wěn)破壞轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧蠌?qiáng)度的破壞。

3.2 無(wú)支長(zhǎng)度L的影響分析

通過非線性分析得到不同支撐連接角度下，節(jié)點(diǎn)板受壓極限承載力隨無(wú)支長(zhǎng)度L變化的曲線，支撐連接角度為30°的情況如圖7所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)板平面外位移z最大值與節(jié)點(diǎn)板厚度t的關(guān)系

圖7 節(jié)點(diǎn)板極限承載力Fu隨無(wú)支長(zhǎng)度L變化的曲線

由圖7可知，節(jié)點(diǎn)板的極限承載力隨無(wú)支長(zhǎng)度L的增加而減小。板厚為15mm、20mm模型的極限承載力下降速率較板厚為25mm、30mm時(shí)緩慢，這是因?yàn)榘搴駷?5mm和20mm時(shí)節(jié)點(diǎn)板發(fā)生自由邊失穩(wěn)而非整體平面外失穩(wěn)。

以支撐連接角度為45°、節(jié)點(diǎn)板厚度為25mm（25Cx系列）節(jié)點(diǎn)板分析模型為例，分析節(jié)點(diǎn)板平面外位移變化，圖8給出了隨無(wú)支長(zhǎng)度增加，節(jié)點(diǎn)板平面外位移最大值的變化曲線，圖9給出了不同無(wú)支長(zhǎng)度節(jié)點(diǎn)板沿支撐連接軸線受壓區(qū)（L3）平面外最大位移圖，圖10給出了L=363mm時(shí)節(jié)點(diǎn)板的應(yīng)力云圖。

圖8 節(jié)點(diǎn)板平面外位移z最大值與無(wú)支長(zhǎng)度L的關(guān)系

圖9 不同厚度節(jié)點(diǎn)板平面外變形圖（L3截面處）

圖10 節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力云圖（L=363mm）

由上述分析可知：隨著無(wú)支長(zhǎng)度的增加，節(jié)點(diǎn)板平面外位移最大值增大，位移最大位置隨支撐連接位置下移。當(dāng)無(wú)支長(zhǎng)度為363mm，節(jié)點(diǎn)板平面外位移＜10mm，發(fā)生強(qiáng)度破壞；當(dāng)無(wú)支長(zhǎng)度為763mm，平面外位移49.9mm，發(fā)生平面外失穩(wěn)破壞。隨著無(wú)支長(zhǎng)度的增加，節(jié)點(diǎn)板承載能力降低，破壞時(shí)的最大應(yīng)力增大，高應(yīng)力主要分布區(qū)域隨無(wú)支長(zhǎng)度的增加而發(fā)生位置移動(dòng)，如圖10中A、B位置所示。

3.3 支撐連接角度β的影響分析

節(jié)點(diǎn)板厚度為15mm和20mm時(shí)，極限承載力隨支撐連接角度β變化的曲線如圖11所示。

圖11 節(jié)點(diǎn)板極限承載力Fu隨支撐連接角度β變化的曲線（15mm，20mm厚）

由圖11曲線變化趨勢(shì)可發(fā)現(xiàn)，β在30°～45°之間變化時(shí)，其對(duì)節(jié)點(diǎn)板受壓極限承載力有一定影響，即當(dāng)節(jié)點(diǎn)板厚度、無(wú)支長(zhǎng)度不變時(shí)，極限承載力逐漸下降。

以節(jié)點(diǎn)板厚度為25mm、無(wú)支長(zhǎng)度為563mm（25xb系列）時(shí)的節(jié)點(diǎn)板分析模型為例，分析支撐連接角度對(duì)節(jié)點(diǎn)板平面外位移的影響，如圖12所示，由于支撐連接角度的影響較小，平面外位移變化不大。

由上述分析可知：節(jié)點(diǎn)板極限承載力隨支撐連接角度變化，與節(jié)點(diǎn)板的板厚存在較大關(guān)系，對(duì)于節(jié)點(diǎn)板厚度一定的情況，支撐連接角度對(duì)節(jié)點(diǎn)板的極限承載力和平面外位移影響較小。

3.4 加勁板厚度tj的影響分析

圖12 節(jié)點(diǎn)板平面外位移z與支撐連接角度β的關(guān)系

加勁板對(duì)節(jié)點(diǎn)板提供側(cè)向剛度，加勁板厚度的變化與支撐連接角度和無(wú)支長(zhǎng)度無(wú)直接關(guān)系，主要考察加勁板厚度不同時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)板受壓性能的影響。研究支撐連接角度為45°、無(wú)支長(zhǎng)度為563mm（xCb系列）節(jié)點(diǎn)板分析模型，節(jié)點(diǎn)板厚度變化時(shí)節(jié)點(diǎn)板極限承載力與加勁板厚度的關(guān)系曲線如圖13所示，此時(shí)加勁板厚度分別取8mm、12mm、16mm和20mm。

圖13節(jié)點(diǎn)板極限承載力Fu隨加勁板厚度tj變化的曲線

圖14 給出了隨著加勁板厚度的增加，節(jié)點(diǎn)板平面外位移最大值的變化曲線，圖15給出了不同加勁板厚度節(jié)點(diǎn)板受壓區(qū)（L1截面處）平面外變形圖。節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力分布隨加勁板厚度的增加變化不大，加勁板厚度為12mm時(shí)節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力云圖如圖16所示。

由上述分析可知：加勁板厚度主要為節(jié)點(diǎn)板提供側(cè)向剛度，節(jié)點(diǎn)板厚度為15mm，加勁板厚度為8mm即可滿足要求，但此時(shí)節(jié)點(diǎn)板的極限承載力較?。还?jié)點(diǎn)板厚度為30mm時(shí)，隨著加勁板厚度的增加，節(jié)點(diǎn)板極限承載力增加的趨勢(shì)較節(jié)點(diǎn)板為15mm時(shí)明顯；節(jié)點(diǎn)板厚度為30mm時(shí)，tj=16mm時(shí)的節(jié)點(diǎn)板極限承載力為tj=8mm時(shí)的1.4倍；當(dāng)加勁板厚度增加到一定值時(shí)，其作用效果降低，節(jié)點(diǎn)板極限承載力增長(zhǎng)率減小，對(duì)于節(jié)點(diǎn)板厚度＞30mm時(shí)，加勁板厚度取16mm即可。

4 結(jié)語(yǔ)

總結(jié)32個(gè)模型的非線性分析結(jié)果，可得到以下結(jié)論：

（1）節(jié)點(diǎn)板厚度t對(duì)節(jié)點(diǎn)板受壓性能影響最大，厚度＞25mm后，平面外位移＜50mm，當(dāng)厚度為30mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)板將不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞而轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)度破壞。

（2）無(wú)支長(zhǎng)度L對(duì)節(jié)點(diǎn)板平面外位移及節(jié)點(diǎn)板極限承載力的大小影響均較大，但其長(zhǎng)度受連接支撐焊縫長(zhǎng)度及構(gòu)造要求的限制，因此節(jié)點(diǎn)板設(shè)計(jì)時(shí)按焊縫長(zhǎng)度及構(gòu)造要求確定無(wú)支長(zhǎng)度即可。

（3）節(jié)點(diǎn)板厚度一定時(shí)，支撐連接角度對(duì)節(jié)點(diǎn)板的極限承載力和平面外位移有一定的影響。

（4）節(jié)點(diǎn)板厚度為15mm時(shí)，建議加勁板厚度≮8mm；節(jié)點(diǎn)板厚度為25mm時(shí)，建議加勁板厚度≮12mm；節(jié)點(diǎn)板厚度為30mm時(shí)，加勁板厚度為16mm即可為節(jié)點(diǎn)板提供足夠的平面外側(cè)向剛度。

圖14 節(jié)點(diǎn)板平面外位移z最大值與加勁板厚度tj的關(guān)系

圖15 不同加勁板厚度節(jié)點(diǎn)板平面外變形圖（L1截面處）

圖16 節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力云圖（tj=12mm）

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The Analysis of the Compression Performance of Gusset Plate in Steel Frame

WANG Qingjiang
(Tianjin Cement Industry Design&Research Institute Co.Ltd.,Tianjin,300400)

Due to the particularity of the steel frame structure,the design of gusset plate frame beam column joints is different from Code for Design of Steel Structures(GB50017-2003).In this paper,the compression performance of typical gusset plate frame beam column joints in steel frame structure is studied by finite element analysis model.The effect of the main parameters and the node plate for steel frame structure of the gusset plate are investigated.Results show that,supporting connecting angle has little effect on the gusset plate,while the gusset plate thickness and the unsupported length play a major role.

steel frame structure;beam column node;gusset plate;unsupported length;node plate; supporting connecting angle

TU391

A

1001-6171（2017）03-0052-07

天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津300400；

2016-09-05；編輯：孫娟