新型钢结构装配式节点有限元分析

杨军平 熊英庆 邹永胜

摘要：在既有的钢结构梁柱外伸端板连接节点的基础上，提出一种新型钢结构装配式节点，利用ANSYS有限元软件进行单调递增荷载和循环往复荷载作用下的数值分析，通过将新型节点在单调递增荷载作用下的节点抗弯刚度与EC3规范下的节点刚度量化规定进行对比，得出结论：新型节点是一种剐性节点，通过将新型节点与既有的梁柱外伸端板连接节点在单调递增荷载下的破坏模式、屈服位移、极限位移进行对比;在往复荷载作用下的滞回曲线、粘滞阻尼系数进行对比，得出结论：新型节点具有更好的节点强度、延性和耗能性能，新型节点破坏处外移至节点核心区以外，满足“强节点弱构件”的抗震要求，端板厚度增加，可提高節点承载能力。

关键词：梁柱外伸端板连接节点;刚性节点;强节点弱构件

中图分类号：TU391DOI：10.16375/j.cnki，cn45-1395/t，2020.02.004

0引言

梁柱端板外伸式连接节点的优点有：施工简单方便，施工环境依赖性小，构件质量不会因现场施工操作环境而降低，更易实现结构装配化生产和安装，传统梁柱端板连接的节点承载能力取决于螺栓直径和端板厚度，在保证螺栓承载力的前提下，节点刚度和承载能力随着端板厚度增大而增大，增大到一定厚度效果不明显，单纯的增大螺栓直径和端板厚度，只能提高节点承载能力，并不能改变节点的受力和破坏特征，为此提出一种新型钢结构装配式节点。

参考以往刚性节点扩翼缘加强，王燕等对钢框架刚性节点扩翼缘节点进行研究，可以使梁柱节点塑性铰外移至梁翼缘扩大端截面以外的位置，保证了节点核心区的强度，且节点有较好的变形性能，郁曙光把梁端翼缘加强与狗骨削弱结合起来，将节点塑性铰外移至梁端狗骨削弱处，但狗骨处对框架梁承载能力有较大的削弱，在文献[5]中提出了一种新型扩翼缘端板型连接节点，端板通过16个圆形分布的高强螺栓与H型钢柱连接，研究了螺栓连接撬力分布，并未涉及到抗震性能研究，为充分发挥钢框架梁的强度，拟提出一种新型的扩翼缘端板型连接节点：未削弱的钢梁通过翼缘侧板加强与端板相连，梁与端板在预制工厂内通过全熔透焊缝连接，来保证构件出厂时的焊缝质量，端板通过16个高强螺栓与柱连接，在外荷载作用下，避免了节点核心区应力集中，使得梁柱构件塑性铰外移，满足“强节点弱构件”的抗震性能要求。

计算机技术的飞速发展，给工程科学带来了革命性的变化，以虚拟模拟为代表的计算机辅助工程（computer Aided Engineering，CAE）在科研开发、项目研制的过程中有无与伦比的优越性，在结构工程的研究中逐渐发展为以虚拟模拟分析为主的趋势，例如文献[7-8]都是以有限元软件ansys对结构的节点或构配件进行模拟分析。

本文通过ansys有限元模拟分析，将加强型节点分析结果在欧洲钢结构设计规范EC3下进行对比，得出加强节点是刚性节点的结论，节点加强形式通过侧翼缘加强与螺栓数量的增设，节点承载能力在不同端板厚度下平均提高了36.86%，节点的加强不仅提高了节点承载能力，而且还改变了节点的耗能性能。

1节点设计

1.1装配式节点的几何参数

设计了两种节点形式：rf（新型钢结构装配式节点）、base（梁柱外伸端板节点），节点形式为外伸端板连接，节点尺寸参数，柱选用宽截面H钢，柱长1540mm，柱截面：400mmx400mmxll mmx18mm，梁长选用窄截面H钢，梁长1500mm，梁截面：400mmx200mmx8mmx13mm，梁与柱采用外伸端板连接，新型加强型节点为扩大端板，端板长宽尺寸：640mmx400mm，常规节点端板长宽尺寸：640mmX200mm，两种节点的形式和长宽尺寸信息见图1.rf和base节点设置端板厚度对照，对照情况如下：basel、rfl-端板厚度15mm，base2、rf2-端板厚度25mm，螺栓选用10.9级的M24螺栓，两种节点的节点核心区的端板定位和螺钉布置见图2（a）、图2（b），rf节点端板加强处尺寸见图2（c）。

1.2节点试件材料的选取

根据该新型装配式梁柱节点的设计和构造要求，梁和柱选择Q395钢，焊缝采用E43型，模型中考虑焊缝与梁柱同强度，型材和焊缝的本构关系见图3（a），螺栓采用10.9级摩擦型高强螺栓，预拉力为225kN，摩擦系数为0.35.螺栓的本构关系见图3（b），材料的性能指标见表1。

1.3有限元模型建立与网格划分

因其节点内梁柱腹板中心截面为对称截面，梁柱节点与外部荷载都关于梁柱腹板中心对称，所以，建立模型时可建立几何模型的1/2模型，在对称面中设置对称荷载，在ansys后处理时可将1/2模型结果还原成整体的梁柱节点结果，在ansys模型中所有构件都采用solidl85单元，节点核心区（柱中部和梁端板处）网格较密，其中高强螺栓的网格尺寸为10mm，端板与柱中部的网格尺寸为20mm，其他部位网格划分较为稀疏，base节点网格划分见图4（a），加强型节点因翼缘扩大处的端部部位，不满足映射网格划分，因其solidl85单元虽为六面体单元，但可退化为四面体单元，可采用过渡金字塔单元形式，用四面体单元连接扩大翼缘过渡处，rf节点网格划分见图4（b）。

1.4接触问题

研究模型的柱翼缘与端板、螺栓杆与孔壁之间、端板和螺栓帽之间、柱与螺帽之间存在着4对接触，通过在ansys中定义“接触对”的方式考虑模型中构件之间的相互接触关系，

1.5边界条件及加载制度

对柱上下端施加固接约束，对梁柱腹板中心面施加对称荷载，节点模拟时的荷载施加顺序结合工程实际进行，首先施加螺栓预紧力，然后在梁端施加位移约束，梁端位移值为位移荷载，分别以单调递增和循环往复两种方式加载，单调递增荷载加载至节点极限位移，当节点构件的mises应力值达到极限抗拉强度时构件破坏，即为极限荷载，循环往复荷载加载以每级往复两次，例：0、-30、0、30、0、-30、0、30、0（mm），每级荷载增量30mm的方式加载，参考单调加载得到的极限位移值，来控制往复加载的等级数目，以base节点为例的边界条件与荷载加载方式见图5.循环荷载加载的等级参数见表2。

2有限元模拟结果

2.1破坏模式

由图6（a）可知：basel的端板较薄，端板变形较大，变形处端板与柱分离，端板受力严重屈曲，端板变形可释放一部分变形，由图6（b）可知：basel和base2比较，端板给螺栓的撬力较大，构件因为螺栓达到材料的极限抗拉强度而破坏，螺栓mise应力见图6（b），由图6（c）可知：base2在端板与梁端处应力集中明显，mise应力在梁端焊縫处达到抗拉强度而破坏，由图6（d）、图6（e）可知：rfl端板变形较大，变形处端板与柱分离，端板发现明显屈曲，梁端处塑性铰外移，外移至梁扩翼缘端部，并且在与梁翼缘连接的端板处应力集中效果仍比较明显，但基本能保证梁与端板协同工作，由图6（f）可知：rf2在构件破坏时，端板有较大刚度和强度，并未产生应力集中，且梁柱节点塑性铰外移至梁扩翼缘端部，节点破坏时，扩翼缘端部mise应力值达到材料的强度极限，但节点核心域承载能力良好，保证了“强节点弱构件”的抗震性能。

根据base节点与rf节点破坏形式分析可知：保证适当的端板厚度，能得到较高的节点强度和承载能力，节点形式加强不只提高节点的承载性能，还改变了节点的破坏特点，节点破坏处远离节点核心域，节点的承载能力比构件承载能力要强，将端板外伸式节点由传统的半刚性节点破坏特征变为刚性节点的破坏特征。

2.2单调加载的分析结果

由图7（a）可知：适当的增加端板厚度能提升节点承载力，其中base节点尤为明显，rf2较rn因为端板厚度增加，承载能力略微提升，通过加强构件的荷载位移图与常规构件的荷载位移图比较，rf2节点的极限位移为262mm，base2节点极限位移203mm，节点形式的改进能显著提升节点的变形性能，rf节点较base节点有更好的节点承载力，由图7（b）、图8分析：在EC3规范下对于连接节点进行刚度评价和分析，EC3规范对节点划分了3种类型：刚性节点、半刚性节点、铰接节点，并提出了按节点刚度分类的量化规定，节点的初始刚度为Sj，ini，本文框架为无支撑框架，对于无支撑框架而言Sj，ini;≥25EIb/Lb=3.05×104kN·m/rad时，可以判定为刚性节点;Sj，ini;≤0.5EIb/Lb=0.61×103kN·m/rad时，可以判定为铰接节点，根据有限元分析结果可以得到rf2的节点刚度Sj.ini：5.83×104kN·m/rad，因此可知，通过EC3规范判定，在保证端板厚度的情况下，加强型节点为刚性节点。

2.3循环加载的分析结果

由图9（a）可知：对于base节点，端板厚度是梁柱节点抗震耗能性能的决定因素，basel的滞回曲线呈现出反“s”形，相对basel节点，base2节点滞回曲线更为饱满，能满足半刚性节点有一定耗能性能的要求，由图9（b）可知：对于rf节点，端板厚度的增大，在较小的往复荷载作用下影响效果并不明显，但端板厚度适当的增大，除了能提高节点核心域的强度以外，还能略微提升节点变形能力，在rf破坏形式中对比可知，对于rf节点，端板厚度的增大，能改变由于端板较薄而导致的应力集中的现象，端板厚度的增大，对于承载能力的影响比耗能性能的影响更大。

3抗震性能分析

根据有限元计算结果整理出梁柱外伸端板节点（base）和新型钢结构装配式节点（rf）进行对比，比较双方的抗震性能指标，分析计算得到结果如表3所示。

由表3可知：新型节点承载能力对比相同端板厚度情况下，rf2较base2增长了26.67%，rfl较basel增长了47.05%，可见在相同端板厚度情况，新型节点的承载能力有显著提升，新型节点延性系数对比相同端板厚度情况下，rf2较base2增长了29.17%，rfl较basel增长了87.29%，表明新型节点变形性能更优，节点刚度更好，为装配式的刚性梁柱节点，表格数据表明：新型节点较传统节点有更好的承载能力、节点刚度、耗能性能。

4结论

通过有限元模拟分析，对比传统外伸端板式节点与新型装配式加强节点在单调荷载和低周往复荷载作用下的受力性能，可以得出以下结论：

1）端板式节点的承载能力、刚度、耗能性能随着端板厚度增大而增大，保证端板的厚度是端板式节点设计的前提。

2）新型节点的破坏模式有别于传统节点，塑性铰外移至扩翼缘端部，符合“强节点弱构件”的抗震理念。

3）由EC3欧洲规范下连接类别的规定和节点的破坏模式可知，新型节点为刚性节点。

4）在端板厚度选用适当的情况下，端板式节点的滞回曲线饱满，而新型节点具有相对较优越的抗震性能和良好的耗能能力。