外伸端板连接节点抗连续倒塌性能研究

鹿 伟 刘 娜

(山东科技大学，山东 青岛 266590)

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M=P/L。



外伸端板连接节点抗连续倒塌性能研究

鹿 伟 刘 娜

(山东科技大学，山东 青岛 266590)

基于ANSYS有限元分析软件，建立了外伸端板连接节点模型，分析了半刚性节点在连续倒塌中的力学性能，基于该模型进行了外伸端板连接节点抗连续倒塌能力影响因素的参数分析，为相关设计提供参考。

连续倒塌，外伸端板连接，半刚性节点，有限元分析

0 引言

建筑结构的连续倒塌研究越来越受到各界的关注。已有的研究多针对整体框架在关键柱失效后的整体响应，而少有针对节点的详细分析。承载力高，变形能力好的节点能够提高结构耗能能力，并充分发挥其悬链线抗力机制。因此，研究失效节点的力学性能对于结构抗连续倒塌研究具有十分重要的价值。

在传统的分析方法中，通常假定梁柱节点为完全刚接或理想铰接。然而在实际工程中，梁柱节点几乎全部表现出半刚性性质，因此对半刚性节点抗连续倒塌能力的研究十分必要。外伸端板连接节点是一种常见的节点形式，且基于不同的构造措施，能够满足不同刚度要求，应用广泛。故选取外伸端板连接节点为研究对象。

本文运用ANSYS有限元分析软件，采用实体单元模拟外伸端板连接节点，研究柱失效后上方节点的力学行为及不同参数对节点抗连续倒塌能力的影响，为此类节点的抗连续倒塌设计方法的研究提供参考。

1 有限元模型

1.1 模型参数和网格划分

本文根据JGJ 99—98高层民用建筑钢结构技术规程选取一组外伸端板连接节点模型，模型主要尺寸见表1。采用Solid45模拟钢组件。分别考虑了端板与螺杆、螺帽、柱翼缘及柱翼缘与螺杆、螺帽接触面，采用Contact173和Target170单元定义接触对。节点网格划分采用映射网格划分，单元均为规则的8节点六面体单元，对应力集中区域进行局部网格细化。

表1 模型结构尺寸表

1.2 边界条件和加载制度

有限元模型选取框架相邻梁柱反弯点之间的十字形纯钢节点，模型见图1。

为研究不同受力状态下节点边界条件，分两阶段进行加载。第一阶段模拟节点在纯弯状态下的力学行为，梁端约束竖向位移，水平方向自由以保证梁轴力为零，释放柱端竖向自由。第二阶段模拟节点的拉弯受力状态，首先在柱顶施加竖向力直至节点受弯屈服，然后维持柱顶位移，在梁端施加拉力，直至节点受拉破坏。

节点加载简图见图2。

2 有限元结果分析

2.1 节点弯矩—转角关系

为研究节点在底层柱失效后的传力机理和破坏模式，本文分别对节点的纯弯和拉弯性能进行了模拟。

定义节点转角为：

其中，u1和u2分别为钢梁上下翼缘水平方向位移；hb和tfb分别为钢梁高度和梁翼缘厚度。

定义节点弯矩为：

M=P/L。

其中，P为柱顶竖向力；L为钢梁长度。

基于上述计算假定，通过有限元分析，得到了BASE试件弯矩转角关系曲线如图3所示，与欧洲规范建议的曲线形式基本吻合(见图4)。

2.2 参数分析

为研究连接性能对节点抗连续倒塌能力的影响规律，在前文基础上进行了参数分析。研究指出，由于节点域柱腹板加劲肋的存在，节点承载力主要由螺栓、端板尺寸控制。因此，本文基于BASE模型，以端板厚度、螺栓规格作为研究参数，对多组模型进行有限元分析，模型参数见表2。

2.2.1 端板厚度的影响

表2 节点参数分析试件信息汇总

在外伸端板连接组合节点中，端板是重要的传力构件，其厚度对连接的力学性能，节点的破坏模式有显著影响。

图5为纯弯状态下节点的弯矩—转角关系对比图，分析结果表明，端板厚度的变化基本不改变节点初始刚度，但对其受弯承载力影响较大。端板厚度的变化对节点破坏模式影响显著。当柱翼缘厚度小于端板厚度时，节点破坏由柱翼缘控制；当柱翼缘厚度大于端板厚度时，端板首先受弯破坏。故节点的设计计算中应区分不同的节点形式。端板厚度的合理取值能够避免结构柱端先于梁端发生破坏。

图6和图7分别为拉弯状态下节点的弯矩转角关系和拉力—位移关系，可以看出，端板厚度的不同对节点刚度及变形能力影响显著。而对于节点抗拉承载力的影响同抗弯承载力类似，因此端板厚度同柱翼缘厚度的取值会显著影响节点在连续倒塌过程中的破坏机理，在工程实际中应予以考虑。

2.2.2 螺栓规格的影响

螺栓规格对节点力学性能的影响见图8～图10，可以看出：在不同参数影响下节点力学性能基本呈线性强化特征，各曲线在弹性段重合，承载力及弹性转角差别不大。当螺栓强度较高，以端板及柱翼缘板段破坏为主；反之，螺栓先于板段破坏，螺栓受拉变形显著。

对比图7和图10还可发现，当螺栓强度相较于端板更弱时，节点承载力取决于螺栓强度，此时节点屈服弯矩—转角关系下降明显。而端板较薄时，端板屈服后螺栓仍能承担较大荷载，故在节点设计中应尽量避免螺栓太弱的情况。

3 结语

本文建立有限元模型，分析了节点在纯弯和拉弯状态下的力学性能，得出以下结论:

1)端板对于提高节点变形能力有明显的作用。且节点强度随着端板厚度的增加有明显提高；螺栓规格对节点刚度影响不明显，但会改变节点破坏模式，对节点承载力影响较大。端板厚度和柱翼缘厚度的关系对节点破坏模式，承载力计算影响十分明显。应根据工程实际合理考虑。

2)本文选取的建模方法能够较准确的模拟端板连接节点性能，在连续倒塌工况下的力学性能较为准确，可以为相关研究提供参考。

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Study on anti-continuous-collapsible performance of extended end-plate connection joints

Lu Wei Liu Na

(ShandongUniversityofScience&Technology,Qingdao266590,China)

Based on ANSYS finite element software, the paper establishes extended end-plate connection joint model, analyzes mechanical performance of semi-rigid joint in continuous collapsible, analyzes factors influencing continuous collapsible of extended end-plate connection joints, which has provided some guidance for relevant design.

continuous collapsible, extended end-plate connection, semi-rigid joint connection, finite element analysis

1009-6825(2015)18-0027-02

2015-04-13

鹿 伟(1990- )，男，在读硕士

TU352

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