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摘  要：通過(guò)采用有限元軟件對(duì)薄壁方鋼管梁柱加腋節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析該節(jié)點(diǎn)的性能以及該節(jié)點(diǎn)的破壞模式。結(jié)果表明：該節(jié)點(diǎn)屬于半剛性節(jié)點(diǎn)，不能簡(jiǎn)單的視為剛性連接或鉸接；并且加勁肋應(yīng)力變化較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)具有足夠的厚度；該節(jié)點(diǎn)的最終破壞是由于方鋼管梁的局部屈曲，符合“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的抗震設(shè)計(jì)原則。

關(guān)鍵詞：薄壁方鋼管；加腋節(jié)點(diǎn)；半剛性連接；數(shù)值模擬

1前 言

薄壁輕鋼結(jié)構(gòu)作為一種新型的鋼結(jié)構(gòu)體系，由于薄壁輕鋼結(jié)構(gòu)具有整體性好、高次超靜定的結(jié)構(gòu)體系，具有多道抗震防線的優(yōu)點(diǎn)，并且符合我國(guó)的環(huán)保、節(jié)能、節(jié)水、住宅產(chǎn)業(yè)化政策，將成為我國(guó)建筑發(fā)展的新趨勢(shì)[1]。在我國(guó)薄壁輕鋼結(jié)構(gòu)房屋體系（圖1）當(dāng)中，其輕鋼骨架梁柱構(gòu)件通常采用冷彎薄壁方鋼管、矩形鋼管、C型鋼、L型鋼、槽型鋼，然而在這些截面形式當(dāng)中，以方鋼管、矩形鋼管的截面形式較優(yōu)越。這類截面材料繞中和軸均勻分布，使得截面具有良好的抗壓和抗彎扭承載能力以及較大的剛度[2]，從而降低結(jié)構(gòu)的用鋼量。然而在這類輕鋼骨架之間通常采用直接焊接方式（圖2），采用焊接方式連接，密閉性好，板件凈截面面積不會(huì)減小，但在這種節(jié)點(diǎn)反復(fù)焊接過(guò)程當(dāng)中，對(duì)節(jié)點(diǎn)部分產(chǎn)生很明顯的初始應(yīng)力，節(jié)點(diǎn)脆性明顯增

圖1 輕鋼結(jié)構(gòu)骨架體系（薄壁方鋼管梁柱加腋節(jié)點(diǎn)）

加，降低節(jié)點(diǎn)的延性，然而節(jié)點(diǎn)是構(gòu)成鋼框架不可

缺少的部分，并且歷次地震，如1985年墨西哥城地震、1994年美國(guó)諾斯里齊地震、1995年日本阪神地震，大部分輕鋼建筑都以節(jié)點(diǎn)的破壞而導(dǎo)致建筑的倒塌，因此對(duì)這類輕鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接應(yīng)受到工程界的廣泛重視[3-4]。為此本文提出在方鋼管梁的上下翼緣增設(shè)加勁肋，以改善節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度。建立三維空間節(jié)點(diǎn)有限元模型進(jìn)行分析，探討加腋后節(jié)點(diǎn)的性能及其破壞模式。

2.模型建立

2.1幾何模型

圖3為本文研究節(jié)點(diǎn)的三維視圖，其中方鋼管柱的截面尺寸為120×120×3mm，高度為1200mm，兩個(gè)方鋼管柱之間間距為600mm；方鋼管梁1、2截面尺寸為100×100×2mm，其中方鋼管梁1長(zhǎng)度700mm，方鋼管梁2長(zhǎng)度為480mm；加勁板尺寸為120×50×3mm，加勁肋尺寸為40×3mm。

圖2現(xiàn)場(chǎng)焊接節(jié)點(diǎn)（薄壁方鋼管梁柱加腋節(jié)點(diǎn)）

(1-方鋼管柱，2-方鋼管梁1,3-方鋼管梁2,

4-加勁板，5-加勁肋，6-方鋼管柱底板)

圖3 加腋節(jié)點(diǎn)三維視圖

2.2 材料模型

方鋼管梁柱的材料特性見(jiàn)圖5，加勁肋與梁柱所用材料相同，故取相同值。采用多線性材料模型，彈性模量E=161249.7MPa，泊松比ν=0.3。模型采用的屈服準(zhǔn)則為Von Mises屈服準(zhǔn)則,并且認(rèn)為材料是各向同性強(qiáng)化的。

2.3有限元模型

采用ANSYS軟件對(duì)圖3所示的連接節(jié)點(diǎn)建立有限元計(jì)算模型。由于方鋼管梁柱的長(zhǎng)度及寬度與其壁厚的比值較大，故采用每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度的殼單元shell181，該單元具有應(yīng)力剛化及大變形功能，具有強(qiáng)大的非線性功能；增設(shè)的加勁肋采用四面體單元solid92，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有三個(gè)自由度，該單元支持塑性、蠕動(dòng)、膨脹、應(yīng)力鋼化、大變形和大張力；方鋼管柱上下底板采用solid45單元，并且假定其為剛性；在方鋼管梁1端部增加端板，其中線距離方鋼管柱翼緣距離為650mm，假定其為剛性。對(duì)于體單元與殼單元的公共邊界采用共用節(jié)點(diǎn)，建立該節(jié)點(diǎn)的有限元模型如圖4所示，并對(duì)節(jié)點(diǎn)域處的單元網(wǎng)格劃分加密。方鋼管柱底部為固端上部為鉸接的邊界條件。

圖4 加腋節(jié)點(diǎn)有限元模型（薄壁方鋼管梁柱加腋節(jié)點(diǎn)）

圖5材料本構(gòu)

3.計(jì)算結(jié)果分析

3.1荷載位移曲線

圖6 荷載位移曲線（薄壁方鋼管梁柱加腋節(jié)點(diǎn)）

圖6為該節(jié)點(diǎn)的荷載位移曲線，該節(jié)點(diǎn)在開(kāi)始處于彈性階段，荷載與位移呈線性增加，當(dāng)荷載達(dá)到13.23kN時(shí)，節(jié)點(diǎn)開(kāi)始屈服，對(duì)應(yīng)的屈服位移為7.4mm；隨即進(jìn)入屈服階段，達(dá)到節(jié)點(diǎn)的極限承載力為25.53kN，按全截面塑性發(fā)展，可計(jì)算其極限承載力為26.33kN，略大于有限元計(jì)算結(jié)果。該節(jié)點(diǎn)的彎矩轉(zhuǎn)角曲線與荷載位移曲線變化相似，同時(shí)可計(jì)算其初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為847.5kN•m。

根據(jù)文獻(xiàn)5當(dāng)中連接的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度Ki標(biāo)準(zhǔn)定義為：，則為剛接； ，則為鉸接； ，則為半剛性連接；

E為鋼材彈性模量，Ib為梁截面慣性矩，Lb為梁跨度，kb=8（有支撐框架）或kb=25（無(wú)支撐框架）。

可計(jì)算得：

  即屬于半剛性連接。

    當(dāng)以連接的受彎承載力為標(biāo)準(zhǔn)定義：該節(jié)點(diǎn)的塑性彎矩為 ；粱端的塑性轉(zhuǎn)角： 。其中取 ，

  ，可得其相對(duì)彎矩轉(zhuǎn)角曲線如圖7所示，可見(jiàn)該節(jié)點(diǎn)的相對(duì)彎矩轉(zhuǎn)角曲線位于半剛性連接區(qū)域類，并且與剛性連接或鉸接連接均相差較大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)不能簡(jiǎn)單的將該類節(jié)點(diǎn)視為剛接或鉸接連接。

圖7 相對(duì)彎矩轉(zhuǎn)角曲線

3.2 應(yīng)力分析

圖8（彈性階段）及圖9（極限荷載作用時(shí)）為節(jié)點(diǎn)沿方鋼管梁1長(zhǎng)度方向各截面的應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)，1.0H、1.5H、2.0H、4.0H（梁形心與柱翼緣交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸、Y軸和Z軸分別為梁寬方向、梁高方向、梁長(zhǎng)方向，H為梁截面高度）。

從圖8（a）可以看出梁的彎曲應(yīng)力大致成三角形分布，剪應(yīng)力大致呈拋物線分布，并且各截面處梁腹板的剪應(yīng)力大致相等，均符合經(jīng)典的梁理論。Mises應(yīng)力分布大致也成拋物線型分布，但隨著距離方鋼管柱表面距離的減小，其應(yīng)力變化更大。

（a）正應(yīng)力分布

（b）剪應(yīng)力分布

（c）Misses應(yīng)力分布

圖8 沿梁長(zhǎng)度方向各截面的應(yīng)力分布圖

從圖9（a）可以看出，正應(yīng)力的分布與彈性節(jié)點(diǎn)變化相似，而剪應(yīng)力與彈性階段的明顯不同，其原因主要是方鋼管梁在進(jìn)入屈服階段過(guò)程中，剪應(yīng)力發(fā)生了內(nèi)力重分布。在X=1.0H時(shí)，腹板中部的Mises略大于其余部位，表面在繼續(xù)承受荷載作用時(shí)，該部位率先發(fā)生屈曲。

圖10為極限荷載作用下方鋼管柱的Mises應(yīng)力分布，從中可以看出，方鋼管柱腹板應(yīng)力大部分小于屈服應(yīng)力，表明增設(shè)加勁肋能夠明顯改善在節(jié)點(diǎn)域柱腹板的應(yīng)力，防止柱發(fā)生屈曲；圖11為加勁肋與加勁板的Mises應(yīng)力分布，在加勁肋的角部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部應(yīng)力已明顯超過(guò)屈服應(yīng)力，局部接近極限應(yīng)力值，可見(jiàn)在設(shè)計(jì)時(shí)三角形加勁肋應(yīng)具有足夠的厚度，以防止應(yīng)力集中而被拉裂。

（a）正應(yīng)力分布

（b）剪應(yīng)力分布

（c）Misses應(yīng)力分布

圖9 沿梁長(zhǎng)度方向各截面的應(yīng)力分布圖

圖10 方鋼管柱的Mises應(yīng)力分布

圖11 三角形加勁肋的Mises應(yīng)力分布

3.3破壞模式

節(jié)點(diǎn)在彈性工作狀態(tài)下，荷載位移曲線為基本直線段，荷載隨位移的增大而增長(zhǎng)很快，此時(shí)連接剛度大，在節(jié)點(diǎn)進(jìn)入屈服階段之前，加勁肋的應(yīng)力較大，此處也是最早出現(xiàn)塑性區(qū)，隨著荷載的增加，節(jié)點(diǎn)整體荷載位移曲線開(kāi)始彎曲。隨著荷載的增大，角鋼的塑性區(qū)不斷擴(kuò)大，剛度下降，加載點(diǎn)位移增加較快，但此時(shí)角鋼并沒(méi)出現(xiàn)較明顯的屈曲。達(dá)到極限荷載后，加勁肋開(kāi)始出現(xiàn)屈曲，不過(guò)此時(shí)節(jié)點(diǎn)域處方鋼管梁應(yīng)力增長(zhǎng)較快，大部分進(jìn)入塑性，同時(shí)腹板出現(xiàn)向外鼓曲，下翼緣向內(nèi)凹陷（圖12），其變形速度較加勁肋快許多，而此時(shí)方鋼管柱的應(yīng)力幾乎沒(méi)變，可見(jiàn)該節(jié)點(diǎn)符合“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)原則。

圖12節(jié)點(diǎn)破壞模式

4.結(jié) 論

    1）通過(guò)對(duì)該節(jié)點(diǎn)的荷載位移曲線以及節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度大小的研究表明，該節(jié)點(diǎn)既不能簡(jiǎn)化成剛性連接，更不能視為鉸接，而屬于梁柱半剛性連接；

2）在外荷載作用下，增設(shè)加勁肋能明顯改善節(jié)點(diǎn)域柱腹板的應(yīng)力，并且節(jié)點(diǎn)的最終破壞模式是由于方鋼管梁的局部屈曲，符合“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的設(shè)計(jì)原則。加勁肋的應(yīng)力較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)具有足夠的厚度，以滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的抗震設(shè)計(jì)原則。

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 (西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院)