沙麗榮，于文濤

吉林建筑大學 土木工程學院，長春 130118

0 引言

隨著建筑時代的發(fā)展,現(xiàn)在開始興起了鋼結(jié)構(gòu)的建筑,在國外建筑房屋開始使用輕鋼結(jié)構(gòu),相比于混凝土結(jié)構(gòu),鋼結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點[1].首先,鋼結(jié)構(gòu)的自重輕,雖然鋼的密度大于混凝土,但是在使用時通常都是把鋼材制作成H型鋼或角鋼等,這大大減少了體積,從而使它的自重相比混凝土結(jié)構(gòu)要輕[2]；其次,鋼結(jié)構(gòu)的制作周期短,施工速度快,能避免混凝土的支模和養(yǎng)護晾干等繁瑣環(huán)節(jié).此外,鋼結(jié)構(gòu)還有抗震性能好、強度高和綠色環(huán)保等特點.

1 焊接與高強螺栓連接

1.1 焊接連接

在施工作業(yè)時加入引弧板,能夠防止焊接時出現(xiàn)的缺陷，因為在一整條的焊縫中最可能出現(xiàn)缺陷的位置就是在引弧以及收弧的位置.在鋼結(jié)構(gòu)連接中,力的傳遞是先從板傳遞到梁上,然后再從梁傳遞到柱子上,最后再從柱子傳到基礎(chǔ)[3].本文所用梁為熱軋HM 440×300×11×18,所用柱為熱軋HW 400×400×13×21.主要研究力從梁傳遞到柱子上的這一過程,假設(shè)梁傳遞的彎矩M為5 000 kN·m、剪切力為200 kN.在力的傳遞過程中,考慮梁端內(nèi)力向柱傳遞時,原則上梁端彎矩全部由梁翼緣承擔,焊接強度計算如下:

角焊縫的抗拉、抗剪和抗壓強度設(shè)計值為[4]ffw=215 MPa.

式中,σ為焊縫強度,MPa;h0b,bFb,tFb分別為梁腹板的計算高度，mm；翼緣板的外伸寬度，mm；板的厚度，mm.

由于焊縫強度σ遠小于強度設(shè)計值ffw,因此結(jié)構(gòu)能滿足焊接強度要求.

1.2 高強螺栓連接

梁端內(nèi)力向柱傳遞時,原則上梁端剪力全部是由梁腹板承擔.當橫向加勁肋厚度大于梁的翼緣板厚度時,節(jié)點域的受剪正則化寬厚比為[4]:

式中,λn,s為節(jié)點域的受剪正則化寬厚比;hb為梁腹板高度,mm;tw為柱腹板厚度,mm;hc為柱腹板高度,mm;εk為鋼材強度換算系數(shù).

式中,Mb1和Mb2分別為節(jié)點域兩側(cè)兩端彎矩設(shè)計值,N·m;Vp為節(jié)點域體積,mm3;ψ=0.6為折減系數(shù);Mpb1和Mpb2分別為與柱節(jié)點域連接的左、右梁端截面的全塑性受彎承載力,N·m.

由于梁的抗剪強度和抗剪屈服強度都小于結(jié)構(gòu)許用值,因此,結(jié)構(gòu)能夠滿足抗剪強度要求.

2 有限元分析

2.1 建立模型

模型建立采用GUI方式,對前面所述的柱和梁進行有限元分析.加勁肋厚度和梁厚度均為18 mm,連接板尺寸為95 mm×16 mm×334 mm,如圖1所示.由于本文為鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點三維實體建模,因此單元類型選用有限元模型solid187.網(wǎng)格劃分不是采用單純自由劃分,而是采用控制性劃分,如圖2和圖3所示.

圖1 結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structural model 圖2 控制劃分Fig.2 Control division 圖3 網(wǎng)絡(luò)劃分Fig.3 Mesh division

在對模型劃分網(wǎng)格后，還要對其進行約束與荷載施加,約束施加位置在底面,約束自由度的選擇是約束了X,Y,Z等3個方向全部約束.在梁的兩側(cè)施加了200 kN的集中荷載,方向豎直向下.

2.2 有限元結(jié)果分析

通過后處理查看有限元分析結(jié)果,獲得總位移云圖和總應(yīng)力云圖如圖4和圖5所示.

圖4 總位移云圖Fig.4 Total displacement nephogram

圖5 總應(yīng)力云圖Fig.5 Total stress nephogram

由圖4可見,在柱子的加勁肋附近位移變化較小,盡管建模時約束施加是固定的底面,但也能夠反映出加勁肋的設(shè)置對控制結(jié)構(gòu)的位移有著顯著效果.與節(jié)點域相比,梁的翼緣的位移較大,這也證實了節(jié)點域的穩(wěn)定性.剪力由梁的腹板承擔,雖然所施加的力不大,但由圖5可見，梁腹板發(fā)生了一些彎曲,對節(jié)點域沒太大影響,仍很穩(wěn)定,受力也非常均衡沒有特突出的地方.

3 結(jié)論

對焊接和螺栓連接混合的梁柱連接鋼結(jié)構(gòu)進行了強度計算和有限元分析.通過焊縫和高強度螺栓連接的強度計算，能確認加勁肋和節(jié)點域的強度滿足設(shè)計標準.利用有限元軟件對梁柱連接鋼結(jié)構(gòu)模型進行了分析，獲得了鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的力學性能，驗證了結(jié)構(gòu)具有足夠的強度和穩(wěn)定性.