钢结构半刚性节点的数值模拟与试验分析.pdf

第3 4 卷第1 期 2 0 0 5 年1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆．T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 4N o ．1 J a n ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 1 0 1 0 2 0 5 钢结构半刚性节点的数值模拟与试验分析 陈宏1 ，施龙杰1 ，王元清2 ，石永久2 1 ．中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ；2 ．清华大学土木工程系，北京1 0 0 0 8 4 摘要高强螺栓端板连接节点，以其施工方便、抗震性能好，而在多高层钢框架结构中得到推广 使用．因该类节点为半刚性，受力性能复杂，而目前国内规范对此类节点的设计方法缺乏具体的 规定，从而限制了其广泛应用．本文通过数值模拟和试验方法，研究了两类螺栓端板连接节点的 承载性能和刚度特征，得到了节点的弯矩一转角曲线，数值模拟与试验结果吻合较好，从而为这 种节点的设计与应用提供参考． 关键词半刚性节点；数值模拟；试验分析． 中图分类号T u3 7 5文献标识码A N u m e r i c a lS i m u l a t i o na n dE x p e r i m e n t a lA n a l y s i s o nS t e e lS e m i R i g i dJ o i n t s C H E NH o n 9 1 ，S H IL o n g j i e l ，W A N GY u a n q i n 9 2 ，S H IY o n g j i u 2 1 ．S c h o o lo fA r c h i t e c t u r e ＆C i v i lE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ．D e p a r t m e n to fC i v i lE n g i n e e r i n g ，T s i n g h u aU n i v e r s i t y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 4 ．C h i n a A b s t r a c t T h eh i g hs t r e n g t hb o l te n d p l a t ej o i n t sh a v eb e e nu s e di np o p u l a r i t yi nm u l t i s t o r e yf r a m e s b e c a u s et h e yh a v et h e a d v a n t a g e s o fr e q u i r i n gs h o r t e ra s s e m b l yt i m e sa n db e t t e rs e i s m i c p e r f o r m a n c et h a nw e l d e dj o i n t s ．H o w e v e r ，t h es t r u c t u r a lb e h a v i o ra n dd e s i g no fs u c hc o n n e c t i o n s ， a ss e m i r i g i d ，a r er e l a t i v e l yc o m p l e xe s p e c i a l l yw h e nd e t a i l e dg u i d e sa r en o tp r o v i d e di nc u r r e n t c o d e s ．T h es t r u c t u r a lp r o p e r t i e s ，b o t hs t r e n g t ha n ds t i f f n e s s ，o ft W Ot y p e sb o l te n d p l a t ej o i n t sw e r e i n v e s t i g a t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi nt h i sp a p e r ．T h em o m e n t r o t a t i o n c u r v e sw e r ea l s od e s c r i b e da n da g r e ew e l lw i t ht h et e s tr e s u l t s ．S o m ec o n c l u s i o n sd r a w nm a yb e s i g n i f i c a n t l yu s e f u lf o rt h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no fs u c hc o n n e c t i o n s ． K e yw o r d s s e m i - r i g i dj o i n t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e x p e r i m e n t a la n a l y s i s 众所周知，钢结构连接节点基本上属于半刚性 节点．梁柱节点的连接形式是多种多样的，其中螺 栓端板连接是最为常见的一种．这类节点主要由 端板、螺栓、节点域和加劲肋等部分组成．当受力不 很大时，可采用端板平齐式；当受力较大时，常采用 端板外伸式[ 1 J ．螺栓端板连接节点与焊接节点相 比，施工方便，抗震性能好，在多层钢框架结构中得 到推广使用．但该类节点的构造特点也决定了其刚 度特征为半刚性，受力性能复杂，目前尚无成熟的 分析和设计方法瞳] ．本文通过数值模拟和试验方 法，研究了端板外伸与平齐式两类连接节点的受力 性能，得到了对设计和应用这种节点具有参考意义 的结论． 收稿日期2 0 0 4 0 5 0 9 基金项目清华一中大博士后科学基金项目 作者简介陈宏 1 9 6 3 一 ，男，江苏省徐州市人，副教授，工学博士，从事钢结构理论及其应用方面的研究 万方数据 第1 期 陈宏等钢结构半刚性节点的数值模拟与试验分析 1 0 3 1数值模拟 1 ．1 模型与计算参数 数值分析采用的梁柱节点形式为T 型，如图1 所示，平齐式端板记为T 1 ，外伸式为T 2 ．采用通用 有限元软件A N S Y S 对节点进行分析，划分完网格 的有限元模型如图2 所示． 11Q Q Q ≥Q Q Q 鲤J 图1 节点详图 F i g ．1 D e t a i l so ft h ej o i n t s 有限元分析采用了与试验研究相同的构件尺 寸柱为H 2 5 0 3 0 0 x 1 2 x 8 ，梁为H 2 0 0 x3 0 0 x 1 2 x 8 ．柱端采用铰接，加载为位移加载方式，加载点的 位置为离梁端板面12 0 0m m 处 即梁端加劲肋板 中间板的梁翼缘上表面 ．节点核芯区加劲板与梁 柱翼缘同厚梁端板与柱翼缘局部加厚处均为2 0 辫辫 a 节点T l b 节点T 2 图2 节点网格划分 F i g ．2 M e s h e dm o d e l so ft h ej o i n t s 3 0 0 Z 2 5 0 芒2 0 0 较 堪1 5 0 婺1 0 0 5 0 0 a 节点T l 梁柱材料均采用Q 3 4 5 B 钢材，螺栓为1 0 ．9 级 M 2 0 高强螺栓．梁柱板材及高强度螺栓均采用了 理想弹塑性材料模型，梁柱钢材的屈服强度取实测 值3 6 3M P a 、高强螺栓的屈服强度取9 4 2M P a ，采 用V o nM i s e s 屈服准则．A N S Y S 中的P R E T S l 7 9 单元为建立施加了预紧力的高强螺栓提供了极大 的方便，用此可对螺栓施加预紧力。考虑到梁端板 与柱翼缘之间的摩擦，在梁端板与柱翼缘加厚处的 钢板间设置了接触单元． 1 ．2 数值模拟结果 A N S Y S 模拟分析得到的节点承载力计算结 果见表1 ，从数值计算的结果可以看出，虽然梁柱 尺寸和材料相同，但由于T 2 采用了外伸式端板， 其承载力明显高于构件T 1 ． 梁端弯矩～转角曲线见图3 ，螺栓的拉力随外 荷载的变化曲线如图4 所示．螺栓从上往下依次为 第一、二、三、四 试件T 2 排列． 表1T 1 和T 2 节点有限元结果比较 T a b l e1 C o m p a r i n gf i n i t ee l e m e n ts o l u t i o n f o rj o i n t sT 1a n dT 2 ， g ● 互 ≮ 埭 静 2 5 0 至2 0 0 R1 5 0 耋1 翌 0 ．5 0 ， E ● Z 邑 ＼ 鼎 静 图3 节点弯矩一转角曲线 F i g ．3 M o m e n t r o t a t i o nC L I r V e so fj o i n t s 荷载／k N b 节点T 2 图4 节点螺栓拉力与外荷载曲线 F i g ．4 C u r v e so fb o l t st e n s i o nV Sl o a do fj o i n t s 由图4 可以看出试件T 1 的高强螺栓拉力基塑性，直至最后破坏．试件T 2 的螺栓拉力未呈现 本上成三角形分布，其最小拉力位于最下面一排螺三角形分布，第一、二排螺栓主要受拉并最先进入 栓处且至构件塑性极限状态时其拉力变化很小．最塑性．当第一、二排螺栓进入塑性后第三排螺栓的 上一排拉力最大且随着外荷载的增加从弹性进入拉力迅速增加，而第四排螺栓拉力同T 1 一样变化 万方数据 1 0 4中国矿业大学学报第3 4 卷 不大． 当节点达到塑性极限状态时，试件T 1 和T 2 的V o nM i s e s 应力分布如图5 所示．由图5 可见， 试件T 1 较大应力主要分布在梁柱核芯区靠近端 板处的梁处，以及翼缘之间的腹板处．T 1 的最大应 力出现在第一排螺栓处，在第一和第二排螺栓的梁 端板和柱翼缘之间出现了较大的应力 超过了钢材 的屈服强度 ，这主要是由于与高强螺栓紧密接触 处受到较大的局部压应力所致． 试件T 2 由于采用了外伸式端板，其应力分布 较T 1 有所不同．其弹性极限状态时的最大应力也 出现在第一排螺栓，但塑性极限状态的最大应力则 出现在第二排螺栓处．其余应力分布形态都差不 多，值得提出的是极限状态下T 2 较大应力的分 布范围更广，这说明节点T 2 较充分地利用了材 料． a 带点T l b 棒点T 2 图5节点塑性极限状态下应力分布 F i g ．5 U l t i m a t es t r e s sc o n t o u r so fj o i n t s 2 试验研究 2 ．1 试验描述 试件尺寸如上所述．试件的焊接在工厂事先完 成．梁翼缘与梁端板及柱翼缘与柱翼缘加厚处均采 用全熔透坡口焊，焊缝质量为二级．在实验室将构 件定位后用高强螺栓将梁柱相连．此外，进行了材 性试验，测得所用材料屈服强度的平均值为厂一 3 6 3 ．4N ／m m 2 ，弹性模量E 2 ．0 5 1 0 5M P a ． 试验装置如图6 所示．试件柱水平放置，柱子 两端固定．梁端由水平放置的伺服控制千斤顶静力 a 肯点T l 单向加载，直至构件破坏．压力传感器用来测定千 斤顶的推力；位移计量测构件控制点的位移；梁端 板和柱翼缘加厚板处的引伸仪量测端板和柱翼缘 之间的相对位移．试验加载分为两个阶段弹性阶 段用梁端集中力作为控制因素，塑性阶段采用位移 控制． 3 0 0 伺娜￡控制千斤顶 j ●、 梁 8 鬻 N _ _ ’ o 目I J I l I I 7 ／／／／／／／／／l0 0 010 0 0 ／／／／／／／／／／．d 地而 l1 5 011 5 0 图6 试验装置图 F i g ．6 T e s ts e t u p 2 ．2 试验结果 试件T 1 加载至破坏时，梁柱构件都没有较大 的变形，最终第一排螺栓被拉坏，梁端板发生了微 小的弯曲变形．柱节点区的油漆发生大面积起皮现 象，特别是在靠近柱翼缘和梁端板的节点区起皮更 为严重．试件T 2 加载至破坏时，节点核芯区的变 形比T 1 明显，节点核芯区的剪切变形比较大．梁 端板与柱翼缘之间的相对位移在梁受拉翼缘处最 大，并逐渐向梁端板两端减少．其第一排高强螺栓 首先被拉断，最终第二排螺栓也被拉断．试件破坏 形态如图7 所示． 试验以及数值模拟获得的节点弯矩一转角曲 线如图8 所示．由图8 可以看出，数值计算和试验 得到的结果基本吻合，其中弹性极限荷载几乎重 合．数值模拟的塑性极限稍低，这是由于实测的钢 材强度略高于数值模拟采用的材料强度和数值模 拟采用的材料本构关系没有考虑材料的应力强化， 不过最终的极限荷载几乎相同． 图7 节点破坏形态 F i g ．7 F a i l u r es t a t e so fj o i n t s b 肯点T 2 万方数据 第l 期陈宏等钢结构半刚性节点的数值模拟与试验分析1 0 5 1 8 0 1 5 0 z1 2 0 ＼ 瓣9 0 枢6 0 3 0 O1 5 3 0 4 5 6 07 5 9 0 位移／m m a 节点T l 1 8 0 1 5 0 互1 2 0 辎9 0 稼6 0 3 0 01 5 3 04 56 07 59 0 位移／m m b 节点T 2 图8 节点荷载一位移曲线 F i g ．8 L o a d d i s p l a c e m e n tc H r v e so fj o i n t s 试验还测得节点高强螺栓的拉力与荷载的变 化曲线 图9 以及节点的应力分布等闭．从图4 与 图9 的对比可知，螺栓拉力数值模拟与试验结果无 论大小和分布都基本相符，这也表明，数值模拟对 高强螺栓的处理是合适的，其结果是正确的，从而 为全面把握螺栓受力性能提供了方便． 图9 节点螺栓拉力与外荷载曲线 F i g ．9 C u r v e so fb o l t st e n s i o nV Sl o a do fj o i n t s 3 结果分析 3 ．1螺栓拉力 高强螺栓的受力状态，是端板连接设计中的主 要内容，为进一步验证以上数值及试验的结果，以 下给出基于端板屈服线原理得到的高强螺栓拉力 解析解的结果．端板上单根螺栓的极限拉力N u t 可由端板的屈服线按平衡原理，用静力法求得．在 H 型截面构件的螺栓端板连接中，螺栓的布置通常 对称于其腹板和翼缘 端外伸时 或加劲肋．端板平 齐式和和外伸式连接的屈服线如图1 0 所示[ 4 。5 ] ． b e p ／2 b ∞／2 板边线 ⋯屈服线 一简支边 7 7 7 7 7 r 7 固定边 图1 0 端板的屈服线 F i g ．10Y i e l d i n gl i n e so fe n d p l a t e 据此，可求出节点螺栓的极限拉力． 试件T 1 螺栓的极限拉力 N 。一警 掣， ㈩ 试件T 2 螺栓的极限拉力 Ⅳ。一笔z 垃掣， 2 4 F ，A e w 式中以p 端板厚度，m m ；b 。，为端板宽度，m m ；e ，，e 。 分别为螺栓孔中心至构件翼缘 或加劲肋 和腹板 表面的距离，m m ；f y 为端板钢材的屈服强度， M P a ． 将各数值代入式 1 得 。，～2 0 0 x 一2 0 z 墨堑． 曼尘堕Q 2 ．型莶逝一 。⋯“一8 5 0 十 2 5 0 ～ 2 0 70 0 0N 一2 0 7k N ． 将各数值代入式 2 得 r一200 x20Zx 3 4 5 墨Q 墨Q 2 圣星Q 蚤兰垒曼～ ““一 4 5 0 十 2 5 0 ～ 2 7 60 0 0N 一2 7 6k N ． 有限元计算所得的试件T 1 、T 2 螺栓最大拉力 分别为2 5 8 ．6 5k N 和2 8 3 ．8 2k N ．由此可见，用有 限元得到的拉力和试验的实测结果以及理论分析 得到的结果基本相符，可以认为有限元模拟真实反 映了实际构件中螺栓的受力性能． 3 ．2 节点承载性能 基于以上分析，从承载性能方面可以看出平 齐式端板连接节点T 1l t ； l - 伸式端板连接节点T 2 s l , q t 曼多；从节点转动刚度分析可以看出T 1 的初始 刚度比T 2 也小很多，且较早地进入了非线性阶 段．由T 1 、T 2 的荷载一位移和弯矩一转角曲线可 以看出试件T 2 有较好的转动能力，能承受较大 寸逍“] 『 万方数据 1 0 6中国矿业大学学报第3 4 卷 的变形，这说明其具有较好的延性． 平齐式端板连接T 1 中的第一排高强螺栓拉 力随着外荷载的增长而增长较快，且很快达到极限 荷载而发生破坏．但T 2 节点的第一、第二排高强 螺栓的拉力变化较T 1 明显平缓且出现了内力重 分布，即发生了交叉．当第一排螺栓进入非线性后 第二排螺栓的拉力会很快增长并超过第一排螺栓 与其共同承担外荷载．外伸式端板连接节点T 2 的 承载力性能明显优于平齐式端板连接节点T 1 ． 4 结论 通过2 种类型半刚性螺栓端板连接节点的数 值计算和试验研究可以得到如下基本结论 1 数值模拟的计算结果与试验结果的对比表 明，数值模拟是一种有效的研究手段，所采用的计 算模型及方法是正确的，结果是可靠的，数值模拟 方法，可以给试验研究和工程应用带来极大的方 便． 2 外伸式螺栓端板连接节点的承载性能明显 优于平齐式端板连接节点，其节点转动能力亦较后 者有显著的提高．作为一种较好的半刚性节点形 式，其设计和施工也较方便，值得推广． 3 影响螺栓端板连接节点的因素很多，本文 仅针对2 种常见的节点，进行了分析探讨，得到了 一些有益的结论．为全面把握该类节点的承载性能 以及刚度特征，还需进行深入的研究． 参考文献 [ 1 ]陈惠发．钢框架稳定设计[ M ] ．周绥平译．北京世界 图书出版公司，1 9 9 9 ． [ 2 ]中华人民共和国建设部．钢结构设计规范 G B S 0 0 1 7 2 0 0 3 [ M ] ．北京中国计划出版社，2 0 0 3 ． [ 3 ] 施龙杰．钢结构半刚性螺栓端板连接节点的承载性能 研究[ D ] ．徐州中国矿业大学建筑工程学院，2 0 0 4 ． [ 4 ] 李少甫．钢结构的螺栓端板连接[ J ] ．建筑结构，1 9 9 8 ， 2 8 8 2 4 2 5 ． L iSF ．B o l t e de n d p l a t ec o n n e c t i o n si ns t e e lf r a m e s [ J ] ．B u i l d i n gS t r u c t u r e ，1 9 9 8 ，2 8 8 2 4 2 5 ． [ 5 ]中国工程建设标准化协会．门式刚架轻型房屋钢结构 技术规程 C E C S1 0 2 2 0 0 2 [ M ] ．北京中国计划出 版社，2 0 0 3 ． 责任编辑陈其泰 万方数据