循环荷载作用下梁柱端板连接的有限元分析

陈国兴 姜华 张鑫

1 有限元模型的建立

1.1 基本资料

本文为模拟端板连接节点的受力性能，模拟文献[1]中的试验共设计了7组节点模型，设计主要考虑了端板厚度和螺栓直径两个参数的变化。本文节点设计的原则是保证梁柱构件和螺栓不先于节点破坏，只让其发生端板破坏，梁柱截面尺寸分别为H300 mm×200 mm×8 mm×12 mm和H300 mm×250 mm×8 mm×12 mm。节点螺栓采用四排两列总数为8个10.9级摩擦型高强度螺栓。

1.2 单元的选取

在建立实体模型时，本文中梁柱、角钢、螺栓头以及螺帽均采用8节点实体单元Solid45模拟。连接节点的模型比较复杂，需要考虑接触问题。本文利用文献[5]中的接触问题为柔体—柔体的面—面接触，在结构相接触的地方采用接触单元Conta173和目标单元Targe170来模拟。取一个面被当作“目标面”，一个面被当作“接触面”，一个目标单元和一个接触单元形成一个“接触对”。通过共用一个实常数的目标面和一个接触面来识别接触对。本文中接触问题包括:端板与柱翼缘的接触，端板与螺帽的接触，螺杆和螺栓孔边缘的接触。由于要在螺栓上施加预紧力，所以在建模的过程中还需要用到预应力单元Pret179。

1.3 定义材料属性

本文中的端板连接节点的有限元分析中涉及到的材料所定义的材料应力—应变关系有三种，Q345钢材，焊缝材料E50型焊条以及 10.9级摩擦型高强螺栓，弹性描述:弹性模量为2.0E5 MPa，泊松比 μ=0.3，材料属性见表1。

1.4 加载制度

2 ANSYS模拟的试验结果及分析

2.1 Base试件受力分析

在小幅值周期荷载作用下，节点表示出良好的弹性性能，处于弹性工作阶段，弹性阶段荷载卸载至零时，残余位移只有1 mm～3 mm，滞回环面积极小，随着荷载幅值的加大，当 Δ＞16 mm时，节点的弹性性能越来越不明显，卸载后基本上不能回到原来的位置，塑性变形加大，特别荷载步加大后，发生了明显的塑性变形。随荷载进一步加大，滞回曲线所包围的面积逐渐增大;试件刚度退化，表明结构进入非线性工作阶段，由于初始刚度很大，初始加载时滞回环所包围面积较小。

表1 连接节点材料属性

2.2 滞回曲线关系

该系列各试件都在位移达2Δy后进入3Δy时破坏，各试件的破坏与Base试件相似。随着端板厚度的增加，试件在循环过程中没有明显的捏缩现象，但破坏时试件的极限承载力随着端板厚度的提高而有明显提高。试件的滞回性能，D1试件由于端板非常薄，端板刚度相对较小，节点的极限承载力由外伸端板屈服条件决定，螺栓拉力没能得到充分的发挥，端板发生屈曲，过早屈服，各次循环中强度、刚度都有明显降低，劣化严重，随着端板厚度的不断增加，循环次数不断增加，但当端板增到一定程度后滞回曲线没有明显变化。螺栓系列试件滞回曲线见图1。

由图1可以看出，在小幅值周期荷载作用下，节点表示出良好的弹性性能，处于弹性工作阶段，弹性阶段荷载卸载至零时，残余位移只有2 mm～5 mm，滞回环面积极小，随着荷载幅值的加大，当 Δ＞20 mm时，节点的弹性性能越来越不明显，卸载后基本上不能回到原来的位置，塑性变形加大，特别荷载步加大后，发生了明显的塑性变形。L1由于当螺栓直径较小时，对端板的约束不够致使端板过早屈曲变形，螺栓被拉断发生脆性破坏。位移在40 mm处滞回曲线出现了明显的下降段。而L2与L3比较接近，由此可见当螺栓在满足构造要求，满足承载力要求时，在增大螺栓直径对抗震性能的提高意义不大，承载力有所增加。

2.3 骨架曲线

由图2a)骨架曲线可以看出，随着端板厚度的增加系列试件骨架曲线出现明显上升，承载能力随之增长，但随着端板厚度增加骨架曲线上升的幅度逐渐减小，特别是当端板厚度增加到22 cm以后，骨架曲线变得非常相似。这主要是因为当端板厚度很小时，它的初始转动刚度比较小，当梁端发生较小位移时端板过早发生屈曲变形而使试件破坏，而此时螺栓拉力还没有充分发挥作用;但当端板达到一定厚度后满足了试件构造要求，此时端板和螺栓协同作用，再增加端板厚度效果就不再显著。

由图2b)可以知道，随着螺栓直径的增加系列试件骨架曲线略有上升，承载增长不很明显，特别是当螺栓直径增加到24 cm以后，骨架曲线变得非常相似。这主要是因为当螺栓直径很小时，它的初始转动刚度比较小，当梁端发生以较小位移时端板过早发生屈曲变形而使试件破坏，因为螺栓对端板的约束不够，导致端板间的摩擦没有充分发挥;但当螺栓的直径达到一定长度后满足了试件构造要求，此时端板和螺栓协同作用，再增加螺栓直径效果就不再显著。

3 结语

1)从多个系列的计算结果看，端板连接节点具有较强的耗能能力，塑性变形主要来自端板、节点域柱翼缘、柱腹板以及螺栓的伸长。

2)随着端板厚度的增加，节点的初始转动刚度和承载力都随着端板厚度的增加而有所提高，端板每增加2 mm，节点承载力增加约2%。

3)通过单独改变螺栓直径来增大梁的承载能力，使梁柱连接的延性降低，塑性转角减小，承载能力有一些提高。

4)柱节点区域设置了横向加劲肋，明显的改善了节点区域的强度和刚度，延缓柱翼缘的变形和外凸，同时限制了节点域作用的范围，提高了节点的刚度，增加了延性，提高承载能力。

5)为了保证节点的延性，建议采用大螺栓，中等厚度的端板。

[1] 施 刚，石永久，王元清，等.多层钢框架半刚性端板连接的试验研究[J].清华大学学报，2004(3):393-395.

[2] 刘晓辉，刘增科，韩 毅.半刚性端板连接节点有限元模拟分析[J].山西建筑，2008，34(1):78-79.

[3] 顾 强.钢结构滞回性能及抗震设计[M].北京:中国建筑工业出版社，2008.

[4] 于 茹，栗增欣，郑 欢.梁柱端板螺栓连接的研究[J].广东建材，2008(3):10-11.

[5] 郭 兵.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:西安建筑科技大学博士学位论文，2002:11.