基于有限元的角钢加劲节点力学性能研究

吴鹏飞

(苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011)

0 前 言

传统的钢填板螺栓连接在受力时存在严重的滑移现象，具有转动刚度小、抗侧能力差等不足，故在设计时常忽略节点有限的抗弯能力假定为铰接[1]。目前，国内就改良螺栓连接节点的受力性能做了大量的研究，主要包括提出预应力方套管连接、植筋连接等新型的连接节点和自攻螺钉加强、贴层加强以及正交胶合等技术来改善木材受力性能、延缓木材开裂这两个方面[2]。本文基于传统钢填板螺栓连接节点，提出一种通过角钢加强的填板连接方式，以期减小连接的滑移，并提高节点的刚度。

1 试件设计

为了便于对比，本文主要构件包括梁柱构件、钢填板和螺栓的材料性能以及主要尺寸参照参考文献[3]取值。其中胶合木为水平胶合方式加工的北美云杉-松-冷杉，螺栓为8.8级普通螺栓，钢填板为9.5 mm厚度的Q390钢板。试件的几何尺寸如图1所示。

图1 节点几何尺寸示意

其中胶合木柱长1 000 mm，截面尺寸为272 mm×305 mm；胶合木梁长830 mm，界面尺寸为130 mm×305 mm；梁和柱之间留5 mm的间隙，用于安装钢板的梁,开槽宽度为12 mm，钢板与梁槽的端部距离为15 mm，与柱槽上下端的距离为5 mm；角钢厚度为6 mm，同样采用Q390钢材，通过焊接的方式与钢填板连接。

2 有限元模型的建立

2.1 部件的建立

由于有限元法的局限性，本文在创建部件时假设钢板与螺栓之间孔隙为零，以使模型便于收敛。梁柱中的螺栓孔比螺栓的直径大2 mm。模型中将螺杆和螺帽合并为一个部件。

2.2 材性的定义

本模型中涉及木材、螺栓、钢板以及角钢四个部件的材料属性的设置。

2.2.1 木材材性

木材是典型的各向异性材料，其在不同方向的强度和模量均大不相同，一般顺纹的强度和模量远大于横纹。在模拟时，对于木材的弹性段的材性用工程常数来表示，而对于木材的塑性特性如果考虑三个方向不同的屈服应力，则很难同时满足连续性方程和封闭屈服面准则[3]，故木材的塑性特性常假设为各向同性。由于木构件在受力时主要为胶合木横纹受力，故塑性段按照横纹抗压强度设置。本文中木材的横纹受压强度为6.76 MPa，横纹抗拉强度为2.117 MPa，木材弹性段力学性能见表1。

表1 木材的弹性参数

2.2.2 钢材本构

本模型中钢材和螺栓都定义为理想弹塑性，钢材的屈服强度为390 MPa，螺栓的屈服强度为780 MPa，弹性模量均为210 GPa，泊松比为0.3。

2.3 单元类型和网格的划分

本模型中构件存在大变形，且构件之间的接触面较多，故本模型采用C3D8R实体单元使模型易于收敛。为了能够在提高计算结果准确性的同时降低运算的成本，在构件的节点区域内局部加密布种，局部尺寸为20，节点外区域属于研究的次要区域，种子尺寸为50。

2.4 接触的设置

本模型中的接触可分为三类：钢材和钢材之间的接触、钢材和木材之间的接触以及梁柱间的木材和木材的接触。接触属性中的法向接触均按照“硬接触”设置；钢材和钢材间的切向摩擦系数设为0.15，钢材和木材间的切向摩擦系数取0.4，木材和木材间的切向摩擦系数取0.5。由于各个构件之间存在间隙，且节点在加载过程中变形较大，故需要将几何非线性开关打开。

2.5 边界条件和加载

通过设置参考点来与相应的面耦合的方式施加相应的边界条件，柱的两端设置为固支，限制连接件面外位移。螺栓力的施加分为三个分析步，在第一个分析步施加5 N的力，第二个分析步施加到指定荷载，在第三个分析步需要固定螺栓的长度。低周加载通过梁侧面的耦合点施加，采用CUREE加载制度，但由于有限元法不能够准确模拟出木材横纹在进入塑性段后的二次硬化效应，故在本文中每级仅只加载主循环。

2.6 模型的验证

本文通过对参考文献中的第三组钢填板节点(螺栓直径16 mm、螺栓边距70 mm)进行单调加载来验证有限元模型的可行性。由图2可知，试验与模拟结果基本一致，计算结果能够较好地反映节点的刚度和承载力等力学性能，该模型具有可行性。由于木材为多孔的非均匀材料，在实际加载过程中木材在进入塑性后横纹在压力作用下会发生孔隙挤密从而发生二次应变硬化，故数值模拟的荷载较试验值偏小。

图2 单调加载对比

3 有限元结果分析

3.1 滞回曲线分析

本文通过有限元软件分别对传统钢填板螺栓连接节点和采用角钢加劲的钢填板连接节点进行拟静力加载，并对两种连接方式的相关力学性能进行对比分析，两种节点的滞回曲线如图3所示。

图3 两种节点低周加载曲线

通过对计算所得的odb文件进行逐帧分析可知，传统钢填板连接节点和角钢加劲节点分别在节点转角达到8.43×10-2rad以及4.82×10-2rad时，胶合木梁侧面沿螺栓连线上均达到木材横纹的抗拉强度，胶合木梁侧面出现木材横纹劈裂破坏。

由图3滞回曲线可以看出：①通过角钢加劲的节点在加载初期也存在一定的滑移，但由于角钢的存在，节点的滑移较传统钢填板连接节点大大减小；②角钢加劲节点的刚度明显较传统钢填板节点大。

3.2 主要力学性能指标

本文采用Y&K法来确定节点的初始刚度以及屈服荷载，初始刚度k采用极限荷载的40%和10%处荷载所对应的割线刚度表示[4]；屈服荷载My为根据90%极限荷载和40%极限荷载所对应的割线斜率相平行切线与初始刚度的交点对应的弯矩值；通过破坏荷载对应的转角θu和屈服荷载对应的转角θy的比值来表示节点的变形能力，即μ=θu/θy

由表2可以看出，由于角钢的存在，限制了节点的位移，角钢加劲节点的初始刚度明显大于传统钢填板连接；角钢加劲节点的破坏荷载较钢填板节点略有提高；角钢加劲节点破坏较早，但两种连接方式的延性系数相差不大。

表2 两种节点的力学参数

3.3 耗能能力

本文通过对有限元模拟的结果进行处理分析，得到两种节点的滞回耗能(滞回环的面积)如图4所示，分析各节点的耗能能力。

图4 耗能规律曲线

由图4可知：两种节点均具有良好的耗能能力，但在相同加载级时，角钢加劲节点的耗能更好。

4 结 论

1)角钢加劲钢填板螺栓连接节点能够显著降低节点的初始滑移，增加节点的初始刚度。

2)在相同加载级时，角钢加劲节点的耗能能力优于传统钢填板节点。

3)由于角钢的加劲作用，节点的受力进程加快，节点破坏较早，但加劲节点的破坏仍为延性破坏。

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