李清揚(yáng) 鄭紅霞 孫建穎 張琪

摘要：建立實(shí)體模型時(shí)采用ANSYS軟件，研究波折腹板鋼梁中柱弱軸外伸端板連接的性能，得到彎矩-轉(zhuǎn)角曲線、最大荷載時(shí)的節(jié)點(diǎn)區(qū)位移和von Mises應(yīng)力云圖，隨外加荷載增加，彎矩-轉(zhuǎn)角曲線由線性特征轉(zhuǎn)為非線性。分析了連接的性能，以及梁腹板高度、端板厚度和螺栓直徑對彎矩-轉(zhuǎn)角曲線的影響。結(jié)果表明：梁與中柱連接節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動變形的主要因素是梁受拉翼緣連接處的端板區(qū)域及與中柱連接處的腹板區(qū)域的變形;梁腹板高度對連接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角及抗彎承載力有顯著影響;當(dāng)端板厚度較小時(shí)，端板厚度的變化對連接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角及抗彎承載力有顯著影響;當(dāng)端板厚度增大到一定程度時(shí)，對連接節(jié)點(diǎn)的性能影響逐漸減小。螺栓直徑的變化對中柱連接節(jié)點(diǎn)的性能的研究沒有顯著影響。

Abstract： In order to study the performance of weak axis extended end-plate steel beam connections with corrugated webs， the three-dimensional solid model was established by ANSYS software. Moment-rotation curves， nodal displacement map and Von Mises stress cloud picture under the maximum load were obtained.? Characteristics of the moment-rotation curves changes from linear into nonlinear with the increase of external loads.The performance of the connection was analyzed， as well as the influence of web height， end-plate thickness and bolt diameter on the moment-rotation curves.The results show that the main factors of the relative rotation of the beam and middle column are the deformations of end-plate connecting tension flange and the web connecting column.The web height has a significant influence on rotation angle and bending capacity of connection node. When the end-plate is thin， the change of end-plate thickness has an obvious influence on connection node rotation angle and bending capacity. When the end-plate thickness increases to a certain extent， its impact on the performance of the node becomes small gradually. The bolt diameter has not a great impact on the connection node performance.

關(guān)鍵詞： 波折腹板鋼梁中柱節(jié)點(diǎn);弱軸;半剛性連接;靜力性能;彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

Key words： steel beam with corrugated webs central column joint;weak axis;semi-rigid connection;static behavior;moment-rotation curves

中圖分類號：TU391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）36-0132-04

0? 引言

波折腹板鋼梁因其良好的性能，應(yīng)用日趨廣泛[1-3]。相對于剛性連接，半剛性連接更符合框架節(jié)點(diǎn)的實(shí)際情況。文獻(xiàn)[4]研究了波紋腹板H型鋼梁柱強(qiáng)軸半剛性連接性能;孫飛飛，戴曉欣，朱奇，李國強(qiáng)等的文獻(xiàn)[5]《波紋腹板H形鋼空間節(jié)點(diǎn)靜力性能研究》針對梁梁拼接位置的連接方式（栓焊混合連接構(gòu)造形式和全焊縫連接形式）進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[6]對波紋腹板H型鋼梁邊柱節(jié)點(diǎn)弱軸半剛性連接性能進(jìn)行了研究。對于中柱節(jié)點(diǎn)弱軸半剛性連接的研究并不多見，考慮框架的空間工作性能，梁柱弱軸連接是框架節(jié)點(diǎn)的重要組成部分，其性能影響著框架的安全性、適用性、耐久性。端板螺栓連接承載性能好，構(gòu)造簡單，施工速度快，質(zhì)量易保證[7]。外伸端板連接是半剛接的典型形式。本文研究波折腹板鋼梁中柱弱軸半剛性外伸端板連接的性能，有一定的實(shí)際意義。

研究對象為波折腹板鋼梁中柱弱軸外伸端板半剛性連接節(jié)點(diǎn)，采用ANSYS有限元軟件對其進(jìn)行三維實(shí)體的模擬，得到彎矩-轉(zhuǎn)角曲線，并進(jìn)行力學(xué)性能研究分析;同時(shí)還分析了梁腹板高度、端板厚度和螺栓直徑等參數(shù)對彎矩-轉(zhuǎn)角曲線的影響。

1? 模型建立

1.1 幾何模型

參考CECS291：2011《波紋腹板鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[8]，中柱連接的模型：型號為CWA500-200x12的波折腹板鋼，梁腹板高500mm，梁翼緣寬200mm、厚12mm，腹板厚4mm，此波形參數(shù)如圖1所示。

普通H型鋼柱的規(guī)格為350mm×350mm×12mm×19mm，采用10.9級M24摩擦型高強(qiáng)螺栓連接，梁伸出段長2.974m，端板厚20mm。梁柱連接尺寸及螺栓排列如圖2、圖3所示。連接幾何模型如圖4所示。

1.2 有限元模型

1.2.1 單元選取和材料特性

采用Solid 92單元對波折腹板鋼梁、H型鋼柱、螺栓、端板進(jìn)行模擬;柱腹板和端板間的接觸采用Targe 170和Coma 174單元進(jìn)行模擬;螺栓施加預(yù)緊力采用Prets179單元，根據(jù)JGJ82-2011《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》[9]規(guī)定對螺栓的預(yù)拉力設(shè)計(jì)值設(shè)置。

選用Q235鋼對梁、柱及端板進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用Mises屈服準(zhǔn)則和等向強(qiáng)化本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比？滋=0.3，接觸面抗滑移系數(shù)為0.40。

1.2.2 網(wǎng)格劃分、邊界條件和加載

網(wǎng)格劃分時(shí)，螺栓和端板的結(jié)果如圖5所示;模型網(wǎng)格劃分及施加邊界條件如圖6所示。

施加固端約束的部位是柱下端截面的節(jié)點(diǎn)，限制X、Y、Z方向上的自由度;柱頂端施加約束方向?yàn)閄、Z方向，同時(shí)限制X、Z方向的平動自由度。對梁懸臂端施加平面外約束并進(jìn)行Y向位移耦合，在梁端施加強(qiáng)制的位移荷載，梁端最大位移為21mm。

2? 靜力性能分析

2.1 彎矩-轉(zhuǎn)角曲線、初始剛度

彎矩-轉(zhuǎn)角曲線是研究半剛接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的參數(shù)，其中，轉(zhuǎn)角為連接節(jié)點(diǎn)的相對轉(zhuǎn)角，是指梁與柱軸線之間產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角變化量。

連接的初始剛度是指連接在梁端彎矩作用下彎矩與轉(zhuǎn)角之間呈線性關(guān)系時(shí)的剛度：即

式中：RKi為初始剛度;dM為彎矩變化量;d？茲為轉(zhuǎn)角變化量;？茲為轉(zhuǎn)角。

2.2 連接受力特性分析

加載初期，中柱連接處的位移不斷變化，但變化較小，隨外部荷載的加大，中柱連接節(jié)點(diǎn)處的位移也隨之變大，荷載增加到最大時(shí)，中柱節(jié)點(diǎn)區(qū)位移如圖7所示。由圖7可知：模型受到最大荷載時(shí)，出現(xiàn)塑性變形的部位是端板與柱的腹板，此部位開始出現(xiàn)裂縫。并且轉(zhuǎn)動中心的變化——由螺栓群中心向下移動，梁端承受豎向荷載作用時(shí)，梁受拉翼緣連接處的端板區(qū)域位移最大（圖8）。

由此可知，梁受拉翼緣連接處的端板區(qū)域及中柱連接處的腹板區(qū)域位移較大、應(yīng)變較大，變形較明顯，是梁與中柱連接節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動變形的主要因素。

2.3 影響連接性能的參數(shù)分析

為了得到對彎矩-轉(zhuǎn)角曲線的影響選取的參數(shù)為波折腹板高度、端板厚度和螺栓直徑等。

2.3.1 梁腹板高度

保證其他參數(shù)不變，改變波折腹板高度，建立了A系列模型，如表1所示。對每一個(gè)構(gòu)件均進(jìn)行有限元的分析得到圖9的結(jié)果。

由圖9知：梁腹板高度參數(shù)變化：500mm（A1）增大50mm到550mm（A2）、550mm（A2）增大50mm到600mm（A3）、600mm（A3）增大50mm到650mm（A4）、650mm（A4）增大50mm到700mm（A5）的過程中，連接節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動剛度的變化由17.4%變化到16.2%，由16.2%變化到14.6%，由14.6%變化到13.1%。由此可知當(dāng)增大梁腹板高度時(shí)，中柱連接節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動剛度及極限彎矩均隨之增加。所以，適當(dāng)增大梁腹板高度可以達(dá)到提高承載力的效果。

2.3.2 端板厚度

保證其他參數(shù)不變，通過改變端板厚度，建立了B系列的模型，如表2所示，根據(jù)CECS 51022：2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[10]規(guī)范的相關(guān)規(guī)定選用端板的厚度。借助ANSYS有限元軟件對不同厚度的模型進(jìn)行分析，得到彎矩-轉(zhuǎn)角曲線，如圖10所示。

由圖10可知：當(dāng)端板厚度由10mm （B1）增加到16 mm （B2）時(shí)，轉(zhuǎn)角及極限彎矩都在變大，且增量顯著，這表明端板厚度較小時(shí)，中柱節(jié)點(diǎn)破壞是端板的屈服引起的;厚度由16 mm（B2）擴(kuò)大到22mm （B3）時(shí)，轉(zhuǎn)角及極限彎矩增加不顯著，這表明中柱節(jié)點(diǎn)的破壞不受端板厚度影響;當(dāng)厚度由22mm（B3）變化27mm（B5）時(shí)，轉(zhuǎn)角和極限彎矩的增加的更小，這表明中柱連接的破壞是由其他組件造成的。

2.3.3 螺栓直徑

保證其他參數(shù)不變，通過改變螺栓直徑，建立了C系列的模型，如表3所示，螺栓直徑的范圍M20-M30，螺栓對稱布置，同時(shí)應(yīng)滿足構(gòu)造要求：邊距不能太大，避免端部翹曲;間距也不能太大，太大會造成連接中板件間接觸不密實(shí)，進(jìn)潮氣使鋼材銹蝕。借助ANSYA有限軟件對不同的模型進(jìn)行分析，得出的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線，如圖11所示。

由圖11知：當(dāng)螺栓直徑由16mm（C1）變化到27mm（C4）時(shí)轉(zhuǎn)角及極限彎矩增加都不明顯，這表明螺栓直徑不控制連接的破壞，由其他組件造成節(jié)點(diǎn)的破壞。

當(dāng)波折腹板高度、端板厚度和螺栓直徑由小到大變化時(shí)，由圖9-圖11知：波折腹板鋼梁中柱弱軸外伸端板連接表現(xiàn)出明顯的半剛性;加載最初，M與？茲是線性關(guān)系;當(dāng)M增加到一定程度時(shí)，連接變?yōu)榉蔷€性特征，M的增量隨？茲的增大而減小，連接剛度有所降低;隨著M的繼續(xù)增加，梁柱連接進(jìn)入強(qiáng)化階段，即使M有微小的增加也會造成？茲明顯的變大，最終會導(dǎo)致連接發(fā)生破壞。

3? 結(jié)論

通過對波折腹板鋼梁中柱弱軸外伸端板半剛性連接的研究，得出以下結(jié)論：

①當(dāng)波折腹板高度增大時(shí)，連接節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動剛度也隨之增大，只是增加的幅度在減小。這表明極限承載力相同時(shí)，梁腹板高度越大，梁的上下翼緣承受的拉力和壓力越小，各組件的受力也越小，因此會出現(xiàn)上述情況。所以，適當(dāng)?shù)脑龃罅焊拱甯叨瓤梢赃_(dá)到提高極限彎矩的效果。

②端板厚度的變化規(guī)律可知：端板厚度較小時(shí)，彎矩-轉(zhuǎn)角變化幅度很大，端板屈服造成連接節(jié)點(diǎn)的破壞，但端板厚度增加到一定數(shù)值后，連接節(jié)點(diǎn)破壞則由其他組件所決定，所以合理選擇端板厚度既可符合剛度和耗能的要求，又可節(jié)省鋼材。

③當(dāng)螺栓直徑由小到大變化時(shí)，對中柱連接節(jié)點(diǎn)的彎矩–轉(zhuǎn)角曲線影響不大，故螺栓直徑不控制連接的破壞，由其他組件決定節(jié)點(diǎn)的破壞。

④當(dāng)開始加載時(shí)，彎矩與轉(zhuǎn)角呈線性關(guān)系;隨著彎矩的變大，連接表現(xiàn)的特征為非線性，當(dāng)彎矩增加到一定值時(shí)，梁與中柱的連接就會進(jìn)入強(qiáng)化階段，即使彎矩有微小增加也會導(dǎo)致轉(zhuǎn)角顯著變大，最終導(dǎo)致梁與中柱連接節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞。

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