门式刚架端板斜放连接滞回性能有限元分析

刘兰刚,苏明周,楚启龙

(1.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055;2.山东达驰电气有限公司,山东菏泽274200)

0 引 言

0.1 节点连接性能的分类

门式刚架结构虽然在我国得到了广泛的应用,但在抗震性能研究方面,尤其在结构的动力承载能力、延性、耗能等方面的研究还很不充分。一方面,门式刚架端板连接属于半刚性节点,在设计时常常把它作为刚性节点;另一方面,构件的腹板允许局部屈曲。节点的转动和构件的局部屈曲对门式刚架结构抗震性能的影响还需要进一步研究。

欧钢规范按照节点的转动刚度把节点分为:刚性、半刚性、铰接[1],即

Sj-1＞25EIb/Lb时,节点为刚性;

25EIb/Lb＞Sj-1＞0.5EIb/Lb,节点为半刚性;

Sj-1＜0.5EIb/Lb,节点为铰接。

式中:Sj-1为初始弹性转动刚度;EIb/Lb为梁的线刚度。

根据国内的研究表明,门式刚架端板连接节点属于半刚性节点。目前国内的设计规程只是在参考其他结构形式的抗震研究基础上给出了设计原则如允许构件腹板局部屈曲和半刚性连接等不同于其他结构的受力特点,结构的实际性能无法判断。因此,急需开展这种结构形式的抗震性能的研究,才能弄清结构的真实抗震性能,保证结构使用的安全性、经济性和合理性。

0.2 门式刚架端板连接节点形式

对于门式刚架结构《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)[2],端板连接的主要形式可分为:端板平放、端板竖放、端板斜放3种,如图 1所示,本文中只针对端板连接节点斜放进行研究。

图1 节点连接分类

0.3 端板连接节点的转角

梁柱端板连接,节点转角主要包括两部分:节点域在剪力和弯矩作用下要产生剪切变形φr、端板和螺栓变形引起的转角φep和节点域的弯曲变形。由于节点域的弯曲变形比较小,可以忽略。即节点的转角 φ=φr+φep。

0.4 设计中存在的问题

(1)规范不能确定节点的实际刚度,也没有判断节点刚度分类的标准,这给设计者带来一个问题,即如何保证端板连接的实际刚度满足计算模型的假设,避免实际结构因计算时未考虑节点刚度的影响而产生过大的挠度和变形。

(2)目前我国现行规范对半刚性节点设计尚无相关规定[3],在门式刚架中,梁柱端板连接也作为刚接节点进行设计和计算,要求节点有足够的刚度,但是实际构造可能达不到刚性连接的要求。如果节点的实际刚度达不到刚接节点的要求,将会导致结构产生过大的挠度和变形。尤其在门式刚架中,挠度和变形往往是结构设计中的主要考虑因素,有时甚至起控制作用。

(3)现行规范只是参考了相关国外设计规范的内容[4],缺乏系统的理论和试验研究。而各国规范的设计方法各有其适用性和局限性。已有的研究表明,我国现行规范中的有关端板连接的设计假定和计算方法均存在不合理的地方。为此,本文对端板斜放节点连接形式进行拟静力有限元分析,以期对其性能有进一步的了解。

1 有限元计算模型

1.1 试件设计

为了研究节点各组成部分对节点性能的影响,本文共设计了10个模型。模型参考中国建筑标准设计研究院出版的《门式刚架轻型房屋钢结构》(02SG518-1)编号为18-6c刚架进行设计,为变截面梁柱构件。在此基础上试件主要考虑了端板厚度、螺栓的直径、螺栓间距等不同。具体尺寸见下表1,均为端板斜放形式。

表1 试件尺寸明细表

为减小程序计算量,建立有限元模型时进行如下简化:

(1)本文主要研究节点平面内的受力性能,不考虑梁柱构件的平面外屈曲,结构关于梁柱腹板中心线对称,故可利用结构的对称性,仅建立一半的模型。

(2)将螺栓视为一个整体,同时由于整个加载过程中,螺栓头和螺母与端板一直保持紧密接触,故建模时,不考虑螺栓头和螺母与端板的接触分析,将其与端板粘合,仅考虑端板之间及螺栓杆与端板螺栓孔之间的摩擦性能。

1.2 有限元建模

1.2.1 材料模型

本文分析时梁、柱和端板均采用Q235钢,螺栓采用10.9级摩擦型高强度螺栓。梁、柱、板加劲肋和螺栓的钢材都采用弹塑性线性强化应力应变关系,如图2所示,螺栓所用的材料其屈服应力fby=940 MPa,屈服应变 εby=fby/E,极限应力1 040MPa(如图2(a)),钢材的弹性模量为 E=2.06×106MPa,对于Q235B钢,屈服应力为 fpy=235 MPa,屈服应变 εpy=fpy/E,极限应力fpu=450 MPa(如图2(b))。模型采用Von Mises屈服准则和关联流动法则,本构关系采用随动强化模型[5]。所有材料均为各向同性,泊松比均为0.3,屈服准则均采用VonMises屈服准则。材料屈服后采用流动理论和随动强化准则。

图2 应力应变关系简化图

1.2.2 网格划分

单元划分的好坏将直接影响到结果的准确性和计算精度,划分单元的时候对单元的长宽比进行严格控制。对远离节点的梁柱单元采用8节点Solid45实体单元并进行映射网格划分,节点区、端板和螺栓采用精度较高的20节点Solid95实体单元采用自由和映射网格划分。节点螺栓预拉力的施加通过PSMESH生成三维预拉单元PRETS179来实现;端板之间采用Conta174接触单元和Targe170目标元,摩擦系数采用0.35。整个模型及螺栓的有限元网格划分如图3所示。

图3 有限元模型

1.2.3 边界条件和加载控制

沿梁的长度、高度、宽度方向分别为 X、Y、Z轴方向,将柱的下端沿X、Y方向固定,使其只能绕 Z轴转动,为了防止构件平面外失稳,分别在梁和柱上设置4个和2个 Z向约束,在梁端设置Y向约束。在柱顶施加竖向恒载,其值为重力荷载代表值;在柱顶竖向端面节点沿X向进行耦合,程序将产生一个主节点,外力以位移的方式施加于耦合端面的主节点上,并在螺栓上施加预应力;柱上端施加循环位移荷载。

1.2.4 加载方式

对于拟静力循环加载,考虑在柱侧面伸出短梁,短梁处施加位移荷载,同时在柱顶施加轴压力值为64 kN,此压力根据抗震规范重力荷载代表值计算得到。对模型进行循环加载,加载方式首先为单调递增加载,进入塑性之后,采用循环两周递增加载。如图4所示。

图4 加载方式

1.2.5 有限元程序的验证

为了验证上述有限元模拟方案的效果,本文利用ANSYS11.0对门式刚架端板连接的已有试件进行有限元模拟,对模型进行循环加载,与试验结果进行比较。

选取西安建筑科技大学所做的门式刚架的端板连接试验的一个试件进行有限元程序验证,试验曲线与计算曲线的对比如图5所示。从图中可以看出,有限元计算曲线与试验曲线拟合的较好,因此本文所建立的有限元模型能够很好的模拟门式钢架端板连接在循环荷载作用下的受力性能。

图5 试验与数值分析滞回曲线

2 有限元计算结果及分析

2.1 节点承载能力及破坏模式分析

通过循环加载分析发现,加载到180 mm时,整个节点在梁节点端发生局部屈曲,对于端板厚度t=16 mm,上翼缘破坏位置发生在距离端板400 mm～800 mm处,下翼缘破坏位置发生在距离端板520 mm～900 mm处。对于端板厚度 t=20 mm,上翼缘破坏位置发生在距离端板300 mm～800 mm处,下翼缘破坏位置发生在距离端板500 mm～900 mm处,大致为梁高0.6～1倍。同时发生腹板凸屈现象,如图6所示。

表2 试件承载力有限元结果

从表2中可以看出,端板厚度大试件比端板厚度小的试件的承载力并没有显著提高,原因是节点有足够的刚度,梁端出现破坏先于节点破坏,符合了地震破坏强节点弱构件的要求。螺栓布置方式不同,对试件承载力的影响提高不明显,主要原因是梁端出现破坏先于端板破坏。

图6 有限元分析结构

分析试件的应力云图,发现加载位移到140 mm时梁端开始出现塑性,而柱端和节点区未出现塑性,且塑性区大致长度为1/8L。根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)柱顶位移限值 h0/60计算为115 mm,与其接近。加载位移到180 mm时梁端出现了局部屈曲,屈曲位置应力偏大,但未超出极限应力,节点区整体平均应力未进入屈服状态。

2.2 滞回性能分析

分析图7发现当M较小时刚度不变,当M增大到一定程度时模型边缘开始屈服,刚度低,当卸荷后反向加载时,刚度仍不变小,滞回曲线呈平行四边形,说明门式刚架结构在循环加载下,整体刚度退化不大,在经过峰值点后,滞回环开始扩张,相对较饱满,说明了在地震作用下门式刚架有很好的延性。

2.3 骨架曲线分析

分析图8:

(1)所有骨架曲线走势相似,从弹性变形到屈服点,进入塑性阶段,水平位移继续增加但增速变缓,经过塑性强化达极限值Pu后,开始下降直至塑性破坏。反向加载中,水平荷载下降得较早且迅速。

图7 各个试件M-θ曲线

图8 各个试件骨架曲线

(2)在Δ=-120 mm左右以前,试件都能保持稳定的侧向刚度,承载能力在Δ=-180 mm左右达到最大。

(3)所有模型的反向承载力大于正向承载力,主要的因素主要是由于梁柱截面的不对称,以及端板下侧有加劲肋造成的模型正、反向力学性能的差异所致。

(4)骨架曲线有明显的上升段和下降段,表明试件延性较好,变形能力强,有较好的抗震性能。

表3 试件刚度分析结果

分析表3,在截面相同情况下,发现门式刚架初始刚度变化不大。根据欧钢规范对于节点半刚性的规定(0.5～25)EI/L,分析结果得出节点区刚度为(1.08～1.25)EI/L,位于此范围,属于半刚性研究的范畴。梁端极限弯矩大致为全截面塑性弯矩的0.8～0.9之间,说明其截面的利用率较高。节点的极限转角超过0.03 rad,说明门式刚架这种体系在地震荷载作用下具有良好的转动能力,表现了较好的延性。

3 结 论

(1)在水平循环加载下,门式刚架结构的滞回性能不同于一般的钢框架,曲线大致呈平行四边形,无捏拢现象,在经过峰值点后,滞回环扩大,说明其刚度退化较慢。

(2)在水平荷载作用下,构件梁端的极限承载弯矩是设计弯矩值的1.68～1.73倍,说明结构具有足够的安全系数。

(3)在水平荷载作用下,构件梁端先于柱端进入塑性,实现了强柱弱梁的目的,且梁端塑性铰的位置约为梁高的0.6～1倍,说明了这种结构的出铰位置不同于一般钢框架结构。柱顶位移与门式刚架规程规定位移限值接近,说明规程对于柱脚铰接门式刚接的位移限值的规定是恰当的。

[1] CEN:ENV1993-1-1,“Eurocode 3:Design of Steel Structures:Part 1.1 General rules and rules for buildings”European Committee for Standardization[S].Brussels,1992.

[2] CECS 102:2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S].北京:中国工程建设标准化协会,2002.

[3] 施刚,石永久,王元清.门式刚架轻型房屋钢结构端板连接的有限元与试验分析[J].土木工程学报,2004,37(7):6-12,34.

[4] GB50017-2003.钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.

[5] 郭兵,顾 强.钢框架梁柱端板连接在循环荷载作用下的破坏机理及抗震设计对策[D].西安:西安建筑科技大学,2002.