半刚性连接框架结构变形分析

桂 韬

由于半刚性连接节点考虑了内力重分配,能充分发挥材料强度,因此使设计更为经济合理[1,2]。钢框架中采用半刚性连接通常比刚接费用少,施工简便,与铰接相比,能有效减小梁的高度,增加建筑净空。美国、欧洲、英国、澳大利亚等国的钢结构设计规范中都已对半刚性节点有明确的分类,允许设计者在结构钢框架设计中明确的考虑连接特性。但由于半刚性节点工作特性的复杂性,我国规范允许设计人员在有明确的节点弯矩—转角关系时采用半刚性设计,但没有具体的规定。在空间钢框架研究方面,建立了考虑各种影响因素的有限元分析,但还存在不同的缺陷,有待进一步验证。对于空间钢框架的研究,国内做了许多工作[3,4,6]。变形一般是半刚性框架设计的控制因素,本文对半刚性框架进行有限元模拟。

1 半刚性框架有限元模型

本文选择了两层三跨、四层三跨及六层三跨组合钢框架进行分析。假定梁—柱节点为半刚性连接节点,半刚性节点用非线性弹簧表示。采用通用有限元分析软件ANSYS对两层三跨、四层三跨及六层三跨组合框架进行了分析,框架柱采用HW300×300×10×15,框架梁采用HW200×200×12×8。柱距为9 000,跨度为6 000,层高为3 000 mm。六层框架结构有限元模型见图1。

2 半刚性框架单元选取及加载

在有限元分析中,梁柱均采用Beam188梁单元。Beam188三维有限应变梁单元是建立在Timoshenko梁理论基础上的空间梁单元,考虑杆件的剪切变形和应力硬化,能够分析杆件的受弯、侧移、扭转问题,可用于一般长度或中等短粗梁的分析,是三维两节点线型单元。梁柱节点均采用Combin14弹簧单元,此单元有径向和扭转的性能,可用于一维、二维、三维分析。有限元模型的加载采用静力加载。材料采用Q235钢。在考虑材料的非线性时,采用ANSYS多线性随时强化选项,材料屈服遵从Von Mises屈服准则及相关流动法则。半刚性节点的初始转动刚度选取,k=α EI/H,取α=1,2,4。I和 H分别为框架柱的刚度和长度。半刚性节点的弯矩转角曲线,采用二折线模型。门式刚架柱距为6.0 m,作用于结构的荷载为屋盖自重0.25 kN/mm2,基本雪压 S0=0.4 kN/mm2,基本风压 ω0=0.50 kN/mm2。

3 计算结果分析

对结构施加荷载,各框架弯矩图见图2(以六层三跨为例)。各框架侧移如表1所示。

表1 各结构框架侧移

根据GB 50017-2003钢结构设计规范对侧移的规定,层间位移限值为h/400,结构顶点位移为H/500。由于计算模型层高均为3 000 mm,因而层间相对位移限值[δ]=3 000/400=7.5 mm。结构一的总高度为6 000 mm,结构顶点位移限值[Δ]=6 000/500=12 mm;结构二的总高度为12 000 mm,结构顶点位移限值为[Δ]=12 000/500=24 mm;结构三的总高度为18 000 mm,结构顶点位移限值为[Δ]=18 000/500=36 mm。框架结构在所采用的节点刚度其水平位移均低于规范限值。

1)随节点刚度增强,整个刚架结构的内力分布发生了较大变化,当刚度增大到一定程度,结构的内力变化趋于稳定。2)从表1可以看出,随着半刚性节点初始转动刚度的增加,楼层相对变形变小。随着框架结构高度的增加,楼层位移的增幅较大。半刚性连接框架结构与刚性连接框架结构在水平荷载作用下的变形特征相似,楼层位移由下至上依次增加,层间相对位移由上至下依次增大。有限元模型计算结果表明节点刚度改变会引起空间钢框架顶点侧移发生变化,梁柱半刚性连接钢框架具有较大的变形能力,随着层数的增加这种影响更加明显。3)层数对于半刚性连接的侧移有较大影响。在相同层数的条件下,随着连接刚度的降低,结构的楼层位移增幅较为明显,层间位移角也相应增大。随着节点转动刚度的减小,边柱所受的弯矩明显增大,随层数的增加,节点刚度对空间钢框架位移和内力的影响更明显。

4 结语

节点刚度对多层钢框架的变形有很大影响。节点刚度的变化,造成结构内力分布的变化,因此应根据不同的连接刚性,来进行不同的结构设计。应通过参数分析,研究了不同刚度的变化对半刚性框架位移的影响,增强结构性能,降低工程成本。

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