吳賢明

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 湖北武漢 430063)

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對于半剛性接連節(jié)點問題的研究，目前主要是在梁柱節(jié)點上。國內(nèi)的研究基本集中在H型鋼柱-H型鋼梁連接節(jié)點，方鋼管柱-H型鋼梁連接節(jié)點這兩種主要的半剛性梁 柱節(jié)點的靜、動力性能方面，對于其它梁柱連接形式的節(jié)點幾乎沒有涉及，主次梁之間連接節(jié)點的研究尚未見報道；而在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，連接主梁與次梁，同時起著傳遞彎矩和剪力作用的梁端節(jié)點[1]，是鋼結(jié)構(gòu)框架的主要組成部分。國內(nèi)比較有代表性的研究為樓國彪的高強度螺栓端板連接的研究現(xiàn)狀和進展，同時還對節(jié)點的承載力計算與相關(guān)設(shè)計方法進行了簡化處理。同時，他也進行了相關(guān)的有限元分析，構(gòu)建了彎矩-轉(zhuǎn)角曲線的數(shù)學表達模型，總結(jié)了端板連接抗火性能研究的現(xiàn)狀[2-3]； 此外，李黎明提出了一種新的節(jié)點連接方式，稱為外套管式梁柱節(jié)點連接[4-6]，參照EC3中的相關(guān)內(nèi)容，提出了運用組件法來計算此種連接節(jié)點的初始剛度。

國外的研究工作開始較早，其中有代表性的成果為1976年，F(xiàn)rye和Morris通過建立多項式模型，成功地計算了幾種連接節(jié)點的相關(guān)力學特性[7]；1982年，Jones等人采用樣條曲線對連接節(jié)點的彎矩-轉(zhuǎn)角(M·θ)曲線關(guān)系作了擬合，但需要很大的計算數(shù)據(jù)量來作為支持，而且擬合過程相當繁瑣[8]；1983年，Colson和Louveau首次提出了冪函數(shù)模型，該模型的建立基于3個相關(guān)參數(shù)[9]；隨后，Kishi和Chen對Colson和Louveau提出的冪函數(shù)模型做了一定的改進工作，提出了一種和冪函數(shù)模型相似的計算模型，大大減少了計算所需的數(shù)據(jù)量[10]。1986年，Lui和Chen提出了一個指數(shù)模型，該模型由多個參數(shù)所組成，為彎矩-轉(zhuǎn)角曲線的進一步擬合創(chuàng)造了新的途徑[11]。

雖然各個國家的科研工作者和學者均做了大量有關(guān)半剛性連接節(jié)點的實驗工作，但由于實驗數(shù)據(jù)的自身不足性，則需要通過運用必要的理論分析來進行補充和完善。目前通常的做法是，對特殊類型的節(jié)點采用有限元軟件進行建模和計算分析。

2 有限元模型驗證

2.1 試驗驗證

文獻[12]進行了腹板栓接主次梁節(jié)點的試驗研究，主次梁構(gòu)件截面尺寸如表1所示，其試驗過程、節(jié)點構(gòu)造及螺栓的設(shè)置等相關(guān)情況如圖1～圖2所示。為了驗證本文的建立有限元模型方法的可靠性與準確性，將對比和分析有限元軟件的計算結(jié)果與文獻[12]的試驗結(jié)果。

表1 主次梁構(gòu)件截面尺寸 mm

圖1 試驗節(jié)點構(gòu)造細部圖

圖2 試驗節(jié)點構(gòu)造側(cè)面圖

2.2 ANSYS有限元模型的建立及分析結(jié)果

(1)考慮本研究的腹板栓接主次梁半剛性節(jié)點的結(jié)構(gòu)特性，以及所施加荷載的對稱性特征，本研究采用1/2的有限元模型來對整個主次梁節(jié)點和相連的次梁結(jié)構(gòu)進行模擬和計算分析；同時，按照實際工程情況設(shè)置模型的約束條件。

(2)考慮結(jié)構(gòu)自身是由純鋼節(jié)點組成，因此，其中的梁、連接板及螺栓等鋼構(gòu)件均采用SOLID185單元進行模擬；采用螺栓桿側(cè)壁與螺栓孔之間的接觸，對采用TARGE170 和CONTA174單元進行模擬。

(3)由于本研究對象的有限元幾何模型建立方式是“體”生成，因此選擇“體掃略”來對其進行網(wǎng)格劃分。“體掃略”不僅能夠自行控制網(wǎng)格劃分時的粗細程度，而且每個計算單元相對容易收斂，計算效率較高。

(4)有限元模型中所選取的單元及其相應的特性參數(shù)，主次梁構(gòu)件的尺寸和材料參數(shù)均按照上述具體試驗數(shù)據(jù)確定。建立的符合真實受力狀態(tài)的主次梁連接節(jié)點模型如圖3～圖4所示。利用ANSYS有限元分析軟件的后處理功能提取有關(guān)數(shù)據(jù)，分別計算整個分析過程中的彎矩值和轉(zhuǎn)角，該彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖3 模型整體圖

圖4 節(jié)點細部圖

2.3 ANSYS有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

將ANSYS有限元計算分析得到的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線同試驗統(tǒng)計作出彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線進行對比，如圖6所示。

圖5 節(jié)點的(M·θ) 曲線圖

圖6 有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果對比圖

由圖6可以看出，有限元計算和分析結(jié)果與試驗作出的統(tǒng)計結(jié)果吻合較好。

綜上，本研究所建立的有限元模型方法，能夠較好地模擬腹板栓接主次梁節(jié)點的工作性能，其計算結(jié)果可靠。

3 工程中典型次梁不同截面力學性能分析

主梁截面采用500×200×8×10mm，次梁截面采用200×100×3×3mm，具體尺寸如表2所示，相應的建模及計算結(jié)果如圖7～圖8所示。

表2 主次梁構(gòu)件截面尺寸 mm

圖7 整體模型變形正面圖

圖8 節(jié)點細部變形圖

選取其中典型的荷載子步進行分析，ANSYS有限元分析計算結(jié)果如表3所示。

表3 相對轉(zhuǎn)角-彎矩值計算表

圖9 200×100×3×3mm節(jié)點M-θ曲線圖

本研究繪制其(M·θ)曲線如圖9所示，橫坐標代表螺栓部分的相對轉(zhuǎn)角θ(°)，縱坐標代表節(jié)點連接部分所承擔的彎矩值M(kN·m)。

節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度(割線剛度)統(tǒng)計表如表4所示。

表4 節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度統(tǒng)計表

節(jié)點彎矩值及傳遞百分比統(tǒng)計表如表5所示。

表5 節(jié)點彎矩傳遞值及百分比統(tǒng)計表

H型截面次梁200×100×3×3mm的線剛度i=EI/l，其值為定值314 N·mm，線剛度的一半i/2為157 N·mm。由表5可知，此時節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度Kz，穩(wěn)定時其值為450 N·mm左右，彎矩傳遞百分比最終維持在9.71%。

同理，不改變主梁截面尺寸，次梁截面分別取為200×150×6.0×8.0mm、300×150×4.5×6.0mm、350×100×6.0×8.0mm、400×150×4.5×8.0mm、400×200×6.0×8.0mm、400×200×7.0×11.0mm。將得出的各自彎矩傳遞百分比繪出的M-θ曲線對比如圖10所示。

圖10 常用截面形式節(jié)點的M-θ曲線對比圖

4 結(jié)論

從上述幾種常用H型截面次梁的計算和分析，并結(jié)合圖10(M·θ曲線對比圖)可知：

(1)常用腹板栓接主次梁連接節(jié)點自身的轉(zhuǎn)動剛度，并不是固定不變的。 節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度與次梁線剛度之間的相對大小，會導致節(jié)點連接部分最終分擔的彎矩有所不同。

(2)當主次梁節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度比次梁線剛度小很多時，該連接節(jié)點仍可按理想鉸接考慮。但是，如果兩者的剛度差距不是特別明顯，則必須嚴格考慮腹板栓接主次梁節(jié)點的半剛性特征。

(3)通過比較可以發(fā)現(xiàn)，常用腹板栓接半剛性連接的節(jié)點部分，其所傳遞的彎矩百分比值基本穩(wěn)定在10%左右。此結(jié)論為設(shè)計單位提供了相當有價值的參考，即在進行此類半剛性節(jié)點設(shè)計時，很有必要考慮這10%彎矩傳遞比。這樣設(shè)計出來的腹板栓接主次梁節(jié)點不僅安全合理，而且經(jīng)濟適用。