1、单调荷载作用下梁柱强轴翼缘扩大式连接节点的有限元分析摘要：梁翼缘扩大式梁柱连接形式能够很好的使塑性铰外移，从而提高建筑结构整体的可靠度,是现代建筑连接形式的趋势。本文采用ABAQUS 软件对梁翼缘扩大式节点在单调荷载作用下的受力性能进行分析，分别考虑节点域加劲肋、轴压比的影响，设计出 6 个试件，探讨这些影响因素对节点受力的影响。 关键词：梁柱强轴节点 ；扩大式连接 ；非线性 中图分类号：TU391 文献标识码：A 梁柱节点作为钢结构重要的连接组成部分，应按照“强节点 弱构件”的设计理念进行设计，其强度、刚度等对结构的整体性能有重要的影响。节点出自于建筑结构中，其受力性能对三维空间体系的结构有
2、重要影响。由于众多因素对于建筑整体的影响比较复杂，在不加以分析的情况下直接对节点连接进行试验是比较浪费人力财力的行为。因此采用有限元对节点形式进行分析是现代研究的主要形式，从而得出各种影响因素对节点影响的程度。 一、有限元模型 （一） 、试件设计 根据实际工程模型，结合 PKPM 重新生成设计，得到有限元的三维实体模型，见图 1. 图 1 试件构造图 如图所示，梁柱均采用 H 型钢，其中柱截面采用 HW300X300X10X15，梁截面采用 HN350X175X6X9，螺栓采用 10.9 级 M20X55 高强螺栓。在有限元分析中，分别考虑材料性能、节点域加劲肋以及轴压比对节点受力性能的影响，
3、设计出 6 个试件，具体因素见表 1 所示。 表 1 节点不同因素明细 （二） 、有限元模型建立 模型中，梁柱的材性采用 Q235 钢，螺栓采用 10.9 级摩擦型高强螺栓。其材性性能见表 2 所示。 表 2 材料真实应力应变 模型加载及边界条件：柱顶加载柱轴力，截面平面内约束，沿柱长度方向自由；柱底可绕柱强轴方向转动，其他方向均约束；梁端自由。模型采用 C3D8I 单元，即六面体非协调模式单元，在保证精度的前提下，利于接触面的建立及分析。文中不考虑模型的初始缺陷及焊接热影响区的作用。梁端竖向加载，位移控制。有限元模型见图 2. 图 2 有限元网格划分 如图 3 所示，模型分别采用梁柱连接有加
4、劲肋和无加劲肋的形式。网格划分中，接触面应力较为复杂，收敛难度较大，故网格划分较密。梁端加载形式采用位移加载控制，取梁端荷载下降至最大荷载的 85%为终止点。 （三） 、模型生成 模型建立时，将梁柱在装配时几何粘接在一起，用以模拟梁柱之间的焊接焊缝。剪切板与柱采用绑定约束，剪切板与梁之间空隙为 0.螺栓模型建立时，螺栓当做一个整体，在螺栓的螺杆中建采用螺栓预紧力，施加在螺栓干中间面。剪切板与梁腹板建立摩擦关系，剪切板作为主面，梁腹板为从面。假设剪切板采用喷砂处理，故两面之间切向关系为摩擦系数 0.45，法向关系为硬接触。 由于接触的产生，模型收敛较难，在模型首先定义接触关系，然后施加预紧力。在
5、预紧力施加过程中，采用逐级加载的方式，使接触关系能够平稳产生。然后施加柱顶轴力，最后施加梁端竖向位移。这种加载形式与实际工程基本吻合，故模型的建立具有实际应用价值。 二、有限元计算结果 本文采用 ABAQUS 有限元计算软件进行计算，梁端无侧向位移约束。经过计算，其梁端荷载位移曲线如图 3 所示。 图 3 梁端荷载位移曲线 （一） 、模型计算结果分析 模型 1、2、3 分别为不加梁柱节点加劲肋的构造形式，其轴压比分别为 0.2、0.3、0.4，随荷载的增加，在梁端产生侧向位移之前，梁上翼缘与柱连接的翼缘部分产生明显屈服现象，荷载继续增加，梁端产生明显侧向位移，故在曲线中可以明显看到荷载下降较快
6、，当荷载下降至最大荷载的 85%时判定节点失效。 模型 4、5、6 分别为加梁柱连接节点加劲肋形式，其轴压比分别为0.2、0.3、0.4，随着荷载增加，节点域基本无屈服现象产生，荷载位移曲线在极限荷载产生之前，其包络图面积较大。模型 6，即在较大轴压比条件下，其极限承载能力较小，而在屈曲部分产生较大塑性流幅，因此可以看出在较大轴力作用下，可以产生较大塑性变形。 对比是否增加加劲肋的两组梁柱连接节点形式，增加加劲肋，可以限制节点域塑性变形，使节点可以承受较大竖向荷载。同时，增加加劲肋的构造形式，可以限制荷载下降段节点脆性破坏的可能。 表 3 模型屈强比及延性系数对比 如表 3 所示，根据建筑抗震
7、试验方法规程 （JGJ101-96）通过采用屈服弯矩法可以计算出各节点的延性系数以及屈强比。对比显示，增加加劲肋的构造形式能够明显增大节点的延性性能，统计得知，增设加劲肋，可增大节点延性性能 60.7%左右。 三、结论及建议 通过对 2 组 6 个模型的计算及分析，可以得出如下结论及建议： （一） 、轴压比对于节点的单调荷载作用下的承载能力影响不大，在利用其恢复力曲线模型时，可较为保险的采用较大轴压比的模型，但应适当减小其最大位移。 （二） 、增设加劲肋可明显提高节点的承载能力及延性性能，故在实际工程中应注意加劲肋的采用，并保证其施工质量。 参考文献 1 GB5001-2010.建筑抗震设计规范S.北京：中国建筑工业出版社，2010 2 中华人民共和国国家标准，热轧 H 型钢和部分 T 型钢（GB/T11263-1998）.北京：中国标准出版社，1998 3 JGJ101-96.建筑抗震试验方法规程S.北京：中国建筑工业出版社，1996
