几种箱型梁柱节点性能数值分析与比较

杨小珊，周 超，王 湛，潘建荣

(1.广东华工大建筑工程有限公司，广东广州 510641；2.华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510641)

几种箱型梁柱节点性能数值分析与比较

杨小珊1，周 超2，王 湛2，潘建荣2

(1.广东华工大建筑工程有限公司，广东广州 510641；2.华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510641)

通过对4种不同构造形式的箱型梁柱节点进行有限元数值模拟分析与比较，探求采用何种构造形式才能满足连接节点为刚接节点的计算假定，并拥有良好的力学性能。

箱型截面；刚性节点；构造形式；力学性能

某建筑结构的内环大跨度空间结构采用了纵横交错空腹桁架系统，其桁架示意图如图1所示，该建筑最大跨度达到92 m，所有桁架的上、下弦杆和腹杆均采用箱型截面形式。

图1 空腹桁架示意图Fig.1 Schematic diagram of vierendeel truss

在计算模型中，各连接节点按照刚性连接节点计算，但一般的全焊缝连接并不能达到真正意义上的刚性连接要求。具体采用何种连接构造形式以满足刚性连接假定，是值得设计工作者探讨的问题。为此设计人员提出了几种构造简单、施工方便的箱型梁柱连接节点形式，通过有限元分析软件进行数值模拟计算，分析比较各节点的力学性能。

梁柱连接节点的性能，对于整个结构的受力与安全具有重大影响。根据受力变形特性，一般将钢结构梁柱连接分为刚性连接、铰接连接和半刚性连接3类。绝对意义上的刚性连接是不存在的，一般认为，当连接转动约束达到理想刚接的90%时，即能够承受所传递弯矩的90%以上时，可认为是刚接。按此条件，实际工程中的绝大多数连接的受力性能依旧达不到刚性连接的要求。欧洲钢结构设计规范Eurocode3对梁柱连接的受力性能有一定量的定义。以连接的初始转动Ki为标准定义：Ki≥kbEIb/lb，为刚接；Ki≤0.5EIb/lb，为铰接；0.5EIb/lb

大量研究和实践已经证明梁柱连接采用全熔透焊缝连接的形式并不能达到刚性连接的力学要求[1-5]。虽然该形式的节点刚度大、承载力高，具有一定的延性和韧性，但是在强震作用下，焊缝容易发生脆性断裂的现象，所以必须加以改进才能利用。为此设计了3种不同构造形式的箱型截面梁柱连接节点形式外加普通全焊缝连接形式，并通过有限元分析软件(ANSYS)数值建模计算，分析得到其力学性能，详见图2[6-7]。

图2 试件示意图 Fig. 2 Schematic diagram of specimens

在试件D1的节点区箱型梁的翼缘对应位置设置加劲肋，在试件D2的节点区箱型梁的腹板对应位置设置加劲肋，在试件D3梁柱翼缘位置进行加强，具体构造措施为各焊接20 mm厚的加强板进行过渡，加强板与梁柱翼缘采用全熔透单面坡口焊接，D4为参照试件。各试件柱为450 mm×250 mm×14 mm×14 mm，梁为400 mm×250 mm×14 mm×14 mm，柱高1 500 mm，悬臂梁长2 000 mm，除D3试件外，其余加劲肋的厚度均为14 mm。

1 有限元模拟方法

试件的有限元模拟采用的是通用有限元分析软件ANSYS，梁、柱等实体采用20结点6面体单元Soild95模拟。为提高计算效率，将试件沿梁高方向的中心线取对称轴，仅模拟试件的1/2[3]。钢材料采用多线性随动强化模型，以便考虑包辛格效应，屈服准则采用Von Mises屈服准则，尽可能准确地模拟材料的力与变形之间的关系[8-10]。所有材料包括焊缝的弹性模量取E=2.0×105MPa，泊松比取ν=0.3，钢材的屈服强度σy=400 MPa，极限强度σu=400 MPa，硬化点起点应变ε=0.016，极限应变εu=0.095。钢材的本构关系曲线见图3，图4为各试件节点核心区的网格划分结果。

图3 钢材的本构关系曲线Fig.3 Steel constitutive relationship curve

将柱的左边施加约束，同时在对称面上施加对称约束，计算时考虑几何、材料和状态非线性，在梁端施加竖向荷载。

求解过程采用静态分析，非线性分析采用预置条件共轭梯度求解器PCG，打开大变形，同时也就激活了应力刚化效应选项[11-16]。

图4 试件节点核心区单元划分 Fig.4 Unit division of joint cores of specimens

2 模拟结果分析

图5为各试件在单向荷载作用下的梁端荷载-位移曲线，而图6为各试件的滞回曲线，表1为试件的有限元计算结果。其中Pu为梁端最大集中力；Mu为节点最大弯矩，M=PL，L为悬臂梁长度；Δu为梁端最大竖向位移；θu为节点转角,θu=Δu/L；θp为节点塑性转角，θp=θ-PL/Ke,Ke为弹性转动刚度(初始转动刚度)，Ke=Me/θe；θpu为最大塑性转角。

图5 试件在单向荷载作用下荷载-位移曲线Fig.5 Load-displacement curves of specimens under monotonic loading

图6 试件滞回曲线Fig.6 Hysteresis curves of specimens

试件编号Pu/kNMu/(kN·m)Δu/mmθu/radθpu/radKe/(kN·m·rad-1)D1486.5900.074.00.04000.028376993.1D2553.51024.0193.40.10450.090874582.3D3550.01017.579.70.04310.029373915.2D4249.1460.8205.80.11120.093325734.7

从图5和表1可以看出试件D1，D2和D3曲线的初始段基本重合，D4的初始刚度明显偏小，约为其他构件的1/3。根据欧洲规范Eurocode3，所有试件的初始刚度均小于25EIb/lb(514 830.5 kN·m·rad-1)。由此可见，要满足刚性连接节点的力学性能要求是比较难的。另一方面，试件D1，D2和D3的极限承载力也比D4有较大提高。

试件D2的极限梁端位移分别是试件D1和试件D3的2.6倍和2.4倍，可见在箱型梁腹板对应处设置加劲肋，对提高连接的延性有比较明显的作用。试件D3的极限承载力和试件D2相近，比试件D1略有提高。从图6荷载-位移滞回曲线可以看出，试件D2和试件D4的滞回曲线呈饱满的梭形，没有出现捏拢现象，试件的耗能能力较好。而试件D1和试件D3相对来说耗能能力较差。

3 结 论

一般的箱型梁柱全熔透焊缝连接并不能达到刚性连接的要求，可以通过构造方式提高连接的初始刚度。

通过构造措施可提高连接的承载力，但延性有不同程度的降低，在箱型梁的腹板对应处设置加劲肋，相对于其他构造措施来说，延性较大。

在梁柱翼缘处设置加强板，构造简单，施工方便，虽然延性相对不足，但从提高构件初始刚度的角度考虑，不失为一种较好的构造措施，在该工程中可以考虑使用。

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Numerical analysis of the properties of several box-type beam-column joints

YANG Xiaoshan1, ZHOU Chao2, WANG Zhan2, PAN Jianrong2

(1.Guangdong Construction Engineering Company Limited, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510641, China; 2.School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510641, China)

Finite element numerical simulation analysis is used to analyze four kinds of construction box beam-column joints, and explore which construction's mechanical properties accords with the calculation assume.

box section; rigid joint; constructional form; mechanical property

1008-1534(2013)04-0219-04

TU311

A

10.7535/hbgykj.2013yx0401

2013-04-08;

2013-05-13

责任编辑：冯 民

国家自然科学基金(51178192)

杨小珊(1966-)，男，广东揭西人，高级工程师，主要从事工程及企业管理方面的研究。

E-mail:yangxs@scut.edu.cn