1、钢框架加腋梁柱刚性节点的非线性分析第 l2 期20O3 年 l2 月广东土木与建筑GUANGDONGARCHITECTURECIVILENGINEERINGNo.12DEC2oo3钢框架加腋梁一柱刚性节点的非线性分析梁军黎永曾常阳(1,广东省重工建筑设计院广州 510030;2,湖南大学长沙 410082)摘要:通过对加腋钢框架梁一柱刚性节点进行空间非线性有限元分析 ,结果表明加腋节点具有较高的承栽力,斜腋节点具备较好的塑性转动能力,可达到抗震设计的要求,而直腋节点则易引起梁翼缘过度变形而较早失效.关键词:梁一柱刚性节点;粱腋;非线性有限元分析1 引言自美国 Northridge 和日本 Ko
2、be 地震后,针对地震中出现的大量钢框架梁一柱刚性节点的脆性断裂破坏,改进节点的局部构造和发展不同类型的加强型节点成为了工程界的重要课题.上述地震中出现的梁一柱刚性节点的脆性断裂表明,梁下翼缘与柱翼缘处的对接焊缝是最易发生断裂的薄弱环节 00.因此,震后研究加强型节点的原则思路在于降低梁翼缘与柱翼缘问对接焊缝的应力,迫使塑性铰在梁上远离梁一柱连接面的某一部位形成,以达到“强柱弱梁“,“强节点弱杆件“ 的抗震要求 0.加腋节点由于在试验中表现出的可行性以及焊接操作简便的优点而成为加强型节点的一种.本文将通过空间非线性有限元分析方法对不同类型加腋梁一柱刚性节点的性能进行探讨.2 加腋节点有限元模型
3、的建立加腋梁一柱刚性节点是在普通钢框架梁一柱刚性节点(如图 1)部位的梁下附加梁腋,梁腋由工字钢和 H 型钢切割而成,其腹板和翼缘通过角焊缝和全熔透对接焊缝分别与梁,柱翼缘焊接.目前国内外所研究的加腋节点形式主要为斜腋(三角现出更好的滞回能力,塑性转角达 0.0280.031rad.直腋节点在相关试验中的塑性转角也都达到了0.020rad引.本文的研究以文献6中的普通梁柱 T 形节点HU 一 2 为原型,梁的翼缘和腹板分别为 150x12 和376x8,柱的翼缘和腹板分别为 250x16 和 418x12,节点域水平加劲肋为 12xllOx418),梁和柱的长度分别为 2.0,2.3m.在此基
4、础上,本文设计了斜腋(TH 一 1)和直腋(TH 一 2)两种节点,斜腋的设计参照文献7中经改进的简化设计方法(梁腋长(0.50.6)h, 夹角0=tan(b/a)=3o.5.,b 为梁腋垂直高度 ),斜腋水平方向长 240ram,垂直方向高 150mm,其翼缘与梁翼缘同宽,厚 12mm,腹板厚 8ram,腋端梁加劲肋厚8mm;直腋的设计则参照文献5j 的设计步骤(梁腋长 a=1.Ohb,夹角一 20.),直腋水平长 400mm,高150mm,腹板和翼缘的厚度分别为 12,16mm,腋端梁加劲肋厚度为 12mm.本文的有限元分析计算采用通用有限元分析程序 ANSYS,节点建模使用三维四结点壳单
5、元 ,其网格划分如图 3 所示,节点梁端为自由端,分别在柱两端进行约束.节点模型为突出梁腋对节点性能的影响,建模时未考虑单剪板与螺栓的滑移,也未对焊缝进行模拟.参照文献6, 钢材被简化为理想弹塑性材料,屈服强度和弹性模量分别为 270N/ram2 和 2.02x形腋)和直腋 (矩形腋)两种,如图 2 所一一卜,r 一示.在国外进行的梁一柱节点静力和动 I._;.II 一:露力试验中,加腋节点,特别是斜腋节点 fj._.;i.lf均表现出较好的塑性转动能力.美国 lII“:.j 一一 ISACJointVenture 的试验结果显示.,lIfllfL 一静力试件的塑性转角均超过 0.025rad
6、;一一一一一一卜:有刚性面板参与工作的情况下,节点表田删瓜腻形曩田20n3 年 l2 月第 12 期梁军等:钢框架加腋梁一柱刚性节点的非线性分析DEC20o3N0.12(a)普通节点(HU 一 2)(b)斜腋节点(TH 一 1)(C)直腋节点 (TH 一 2)图 3 节点模型图105N/mm.在进行非线性分析时,材料非线性按照VonMises 屈服准则及其相应的流动法则.对节点进行有限元分析时,在节点梁端施加单向位移,直至节点塑性转角达到 0.0265rad 或发生失效变形为止.3 非线性有限元分析结果图 4 为各节点的梁端加载点的荷载一位移曲线图.图中曲线表明加腋节点的承载力较普通节点有了明
7、显大幅度的提高.当各节点梁端位移均0l02030 柏 5o60图 4 各节点梁端位移荷载曲线图达到 40mm,即节点塑性转角发展到约 0.017rad 时,节点梁端荷载分别为:普通节点(HU 一 2)132.18kN,斜腋(TH 一 1),直腋(TH 一 2)节点则分别为 174.99,199.87kN;而当节点塑性转角发展到 0.026rad,也即梁端位移达到 60mm 时,斜腋节点(THi)的梁端荷载为 175.27kN,而普通节点(HU 一 2)仅 132.23kN.上述数据表明,加腋对节点承载力的提高所起的作用是显着的.图 5 为节点塑性转角达到 0.017 和 0.026rad时,各
8、节点梁翼缘中线沿梁长度方向的等效塑性应变指数的分布.等效塑性应变指数(P,)定义为等效塑性应变与屈服应变的比值,即:P,=占昌/(1)曷=,/2(一)2+( 一)2+(一)/3式中:,为屈服应变;昌为等效塑性应变;tj=l,2,3)为当前时间点的塑性主应变.等效塑性应变指数可直接描述节点关键部位塑性发展的程度8. 在图 5(a)中,当节点的塑性转角达到0.017rad 时,节点梁翼缘最大塑性变形发生的位置与50柏鬓 30萋 20蔡 lo0赧搬掣镂邪(a)各节点塑性转角为 0.017rad缘长度方向(into)梁翼缘长度方向(皿 m)(b)各节点塑性转角为 0.026rad图 5 梁翼缘沿梁长向
9、的等效塑性应变指数分布柱翼缘面的距离,节点 HU 一 2 为 53.33mm,节点 TH 一1 和 TH-2 分别为 293.33,534.00ram;而图 5(b)中,当节点塑性转角发展到 0.026rad 时,节点 HU 一 1 和TH-1 的梁翼缘最大塑性变形发生位置与柱翼缘面的距离仍分别为 53.33,293.33ram.同时由该图可知,加腋节点梁段塑性区域的大部分位于梁的加腋区段之外.以上分析表明,加腋节点较好地实现了迫使梁塑性铰形成位置远离梁一柱连接面以减小梁一柱翼缘面对接焊缝受力的设计意图,且这一作用随着梁腋长度的增加而增加.但值得注意的是,普通节点和斜腋节点在能发展较大塑性转角
10、(满足 FEMA267 或 FEMA267B11 所规定的 0.025-0.030tad 的要求的同时,节点梁段并未出现较大的失效变形,梁端承载力也未出现降低的趋势.相对比斜腋节点,虽然直腋节点的承载力提高152003 年 12 月第 12 期广东土木与建筑 DEC2Oo3No.12幅度最大,但其节点塑性转角只能发展到0.Ol7rad,与梁腋腹板相连的梁翼缘以及临近加腋区段的梁翼缘发生了严重的变形,导致节点失图 6 节点 TH 一2 失效时的变形图效,图 6 为节点模型失效时的变形情况.上述情况说明,直腋节点在滞回荷载的作用下,容易出现平面外稳定的丧失,或者因梁翼缘的较大变形导致梁翼缘与梁腋腹
11、板间的焊缝的开裂.5 结论本文的非线性有限元分析表明,加腋梁一柱刚性节点可以有效地达到降低梁一柱连接面处对接焊缝的应力,迫使梁塑性铰的形成位置和塑性区域远离梁一柱连结面这一易导致脆性断裂发生的薄弱部位的目的,同时梁腋的增加也有利于大幅提高节点承载力.大量分析表明,斜腋节点具有较高的承载力,在满足足够塑性转动能力的同时,又能保证梁的稳定性,在建筑造型允许的条件下具有较强的可行性.而直腋节点所能达到的塑性转角相对较小,且易发生较大的失效变形导致焊缝大的破坏.本文的研究仍存在一定的局限性,有限元分析时未对焊缝进行模拟,忽略了残余应力和热应力的影响,对于加腋梁一柱刚性节点还有待于更深入地对多种梁,柱截
12、面节点进行试验和理论研究.参考文献1SAC.Interimguidelines:Evaluation,repair,modificationanddesignofsteelmomentframes.FEMA-267,ReportNo.SAC 一 9502,SACJointVenture,Sacramento,California,19952SAC.InterimguidelinesadvisoryNo,2.FEMA-267B,ReportNo.SAC 一 9901,SACJointVenture,Sacramento,California,19993ChiaMingUang,QiSong“Ke
13、nt“Yu,ShaneNoelandJohnGross.CyclictestingofsteelmomentconnectionsrehabilitatedwithRBSorWeldedhaunch.J.Struct.Engrg,ASCE,126(1),20004QiSong“Kent“Yu.ChiaMingUangandJohnGross.Seismicrehabilitationdesignofsteelmomentconnectionswithweldedhaunch.J.Struct.Engrg.,ASCE,126(1),20005CheolHoLee.ChiaMingUang.Ana
14、lyticalmodelingandseismicdesignofsteelmomentconnectionswithweldedstraighthaunch.J,Struct.Engrg.,ASCE,127(9),20016 舒兴平,黎永.局部构造对钢框架梁一柱刚性节点性能的影响.建筑结构,2002(9)7 黎永,龚坚,杨有根.钢框架加腋刚性节点的抗震设计.建筑技术开发,2002(4)8EITawilSMikeseUTKunna 山,S.K.EctoflocaldetailsandyieldratioonbehaviorofFRsteelconnections.J.Stmct.Engrg.,
15、ASCE,126(11),2000s 刁 ss 刁 s 每 ss 刁 s 刁 s 刁 s 刁 s 刁 s 刁 s 刁 s 刁 s 刁 s 刁 s 刁(上接第 20 页)(2)办公楼,客运楼单体设计以生态设计理念作为指导思想,在技术与情感,现代与传统,人工与自然,经济与社会等诸多因素中寻找合适的平衡点,根据当地的气候特征和客观条件来进行设计.总体设计方案充分利用场地高低错落的特点,利用连廊将办公楼首层与客运楼 2 层相连接,形成一个围合式广场,利用其作为游客的疏散点.办公楼与客运楼在不同的标高分别设置出入口,使旅客与管理人员的路线相错开,内外流线互不干扰.货运码l6头利用原有的建筑,其通道和客运码头在空间上分开,既考虑了人车分流,同时分区也明确,便于管理及游客使用.建筑造型设计力求简洁典雅,办公楼与客运楼结合考虑,形成一个围合式建筑群体.外墙采用较朴素的材料,结合坡屋顶考虑造型,使建筑在不同角度和不同光线下具有不同的光影效果,而统一的材料与色彩则加强了建筑整体表现力,设计充分利用屋顶作绿化庭园,富有节奏感的花坛,色彩明快的铺地图案和观光平台等,构成了宜人的绿化环境.
