改进型钢结构梁柱节点非线性有限元分析

第

ꢀꢁ

卷

第

ꢂ

期建

ꢀ

筑

ꢀ

结

ꢀ

构ꢁꢃꢃꢁ

年

ꢂ

月ꢀ改进型钢结构梁柱节点非线性有限元分析李兆凡

ꢀ

石永久

ꢀ

陈

ꢀ

宏

ꢀ

王元清ꢄ清华大学土木工程系

ꢀ

北京

ꢊꢃꢃꢃꢆꢋꢉꢌ提要ꢍ

ꢀ

对

ꢋ

种不同构造形式的钢框架梁柱节点进行了非线性有限元分析

ꢎ研究了节点局部构造对应力分布

ꢁ塑性区分布及极限承载力的影响

ꢎ分析了焊接孔末端的应力分布状况

∀文中对不同节点的力学性能进行了分析比较

ꢎ计算结果与试验结果吻合较好

∀ꢌ关键词ꢍ

ꢀ

钢结构

ꢀ

梁柱节点

ꢀ

有限元

ꢀ

非线性分析ꢏ

ꢐꢑꢒ

ꢓꢔꢓꢕꢖꢗꢘꢙꢚꢒꢕꢒ

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ꢕꢔꢖ

ꢔꢛ

ꢔꢜꢠ

ꢒꢑꢒꢀꢀ

一

ꢁ前言梁柱节点的几何构造会影响节点区的应力分布和应力集中状况

ꢎ而且也因焊接施工方便性不同而影响节点焊缝质量

ꢎ从而对节点的脆性破坏产生重大影响

∀美国

ꢝꢞꢰ

ꢟꢁꢱꢟꢫ

节点研究项目提出了一种改进的焊接孔构造

ꢎ建议在焊接孔末端梁腹板与梁翼缘的交角不大于

ꢁꢅβꢌꢀꢍ

∀日本一些研究者提出流线形状的焊接孔ꢌꢇꢍ

∀另外我国ꢂ建筑抗震设计规范ꢃꢌꢆꢍ也提出了一种改进的焊接孔形状

ꢎ这种焊接孔形状与本文的

ꢏꢱꢀ

相似

ꢎ梁腹板与翼缘的交角较大

ꢎ与

ꢱꢟꢫ

的建议并不一致

∀针对这一点也许需要更多的研究

∀文献ꢌꢋꢍ

ꢎꢌꢅꢍ的试验研究结果表明

ꢎ焊接孔扩大型节点施工方便

ꢎ既提高了节点的延性

ꢎ又对节点强度影响很小

ꢎ是一种理想的新型抗震节点

∀利用非线性有限元方法对几种不同构造形式的节点进行了弹塑性分析

ꢎ研究了其应力分布

ꢁ塑性区分布及极限承载力

ꢎ并对节点的力学性能进行了分析比较

∀图

ꢊ

ꢀ

ꢋ

种类型节点构造ꢄꢨ

ꢨꢉꢀ地面垂直

ꢎ使用油压千斤顶在梁的上端施加水平往复荷载

∀加载分两阶段

ꢎ弹性阶段使用千斤顶的输出力控制加载

ꢯ塑性阶段采用梁端水平位移控制加载

∀ꢁꢂ

有限元模型二

ꢁ

有限元计算模型ꢊꢂ

试验简况节点计算模型取自清华大学进行的一批节点试验ꢌꢅꢍ的试件

∀共有

ꢋ

种节点类型

ꢎ包括我国常用的节点形式和另外

ꢀ

种焊接孔几何形状和尺寸都不同的节点

∀ꢋ

种节点的梁柱截面尺寸都相同

ꢎ梁翼缘与柱翼缘采用对接焊缝连接

ꢎ梁腹板通过高强螺栓和剪切板连接到柱翼缘上

∀节点构造示意图见图

ꢊ

∀试件的截面尺寸如图

ꢁ

所示

∀采用

ꢟ

ꢲꢱꢳꢱ

通用有限元程序建立计算模型

ꢎ节点尺寸和局部构造按照图

ꢊ

的试件确定

∀

试件材料为ꢴ

ꢁꢀꢅ

钢

ꢎ经材料试验其屈服强度为

ꢁꢈꢃ

ꢰ

ꢵꢔꢎ弹性模量为

ꢁꢂꢃ

≅

ꢊꢃꢅ

ꢰ

ꢵꢔ∀

有限元分析采用的材料的应力ꢁ应变关系根据材料试验结果取图

ꢀ

所示

∀采用

ꢶ

ꢘꢛ

ꢰ

ꢑꢒꢕꢒ屈服准则及相关流动准则

ꢎ多线性随动强化准则

∀在试验时为便于加载柱子水平放置

ꢎ两端固定

ꢯ梁与ꢀ

国家自然科学基金资助项目ꢄꢅꢂꢆꢇꢆꢃꢁꢈꢉ

∀ꢊꢅ弹性和塑性加载阶段都考虑几何非线性

∀四

ꢁ

弹性计算结果及分析弹性分析时

ꢋ在梁端施加大小为

ꢠꢥꢦꢎ的水平集中力

∀沿以下

ꢀ

条路径来分析比较

ꢖ

ꢆꢗ

ꢘ

ꢈꢙꢓꢙ应力分布

ꢐꢑꢃ梁受拉翼缘外表面中线沿梁轴线方向

ꢒꢀꢃ梁受拉翼缘根部内表面垂直梁轴线方向

∀有限元模型如图

ꢄ所示

∀

采用三维实体单元

ꢅꢆꢇꢈꢉ

ꢄꢊ

进行自由网格划分

ꢋ单元

为

三

棱

锥

形状

∀为获得应力分布状况

ꢋ在焊接孔周围用较小的单元尺

寸

进

行

细

化

∀另外还比较了梁翼缘根部焊缝区的主应力

∀ꢑꢀ

梁翼缘应力分布图

ꢊ

为梁受拉翼缘外表面沿梁轴线方向的

ꢖ

ꢆꢗꢘ

ꢈꢙꢓꢙ应力分布

∀可见节点

ꢧꢅꢑ

和

ꢧꢅꢌ

应力集中比较明显

ꢋ它们的最大应力都出现在焊接孔末端ꢁ前者距离柱翼缘

ꢊꢊꢂꢂ

ꢋ后者距离柱翼缘

ꢀꢢ

ꢂꢂꢃ

∀

ꢧꢅꢀ

具有比较宽阔的焊接孔

ꢋ其应力集中现象比

ꢧꢅꢑ

ꢋꢧ

ꢅꢌ

略轻

ꢋ在焊接孔末端ꢁ距离柱翼缘

ꢊꢊ

ꢂ

ꢂꢃ附近出现一个近似的平台段

∀

ꢧꢅꢄ

节点的应力集中现象最轻

ꢋ在开槽区域内应力基本均匀分布

ꢋ图中曲线表现为一个较长的平台

ꢋ而且应力峰值比其它节点小

∀另外可以看到在距离柱翼缘较远处

ꢋꢄ

种节点的应力分布基本一致

ꢋ这是合理的

ꢋ因为节点的不同焊接孔形状主要是影响孔附近的应力分布

ꢋ对远处影响较小

∀图

ꢀ

ꢀ

试件的梁柱截面尺寸ꢁ

ꢂꢂꢃꢀ分析中为突出节点构造对节点性能的影响

ꢋ忽略了节点焊缝

ꢁ高强螺栓和焊接残余应力的影响

∀没有对焊缝

ꢁ螺栓孔和高强螺栓进行建模

∀三

ꢁ

有限元研究方法和考察的指标主要进行了两种荷载下节点的有限元分析

ꢋ分别对应试验中的两个加载阶段

∀这两种加载方式为

ꢐꢑꢃ梁端加载点施加水平集中力

ꢋ研究节点在弹性阶段的应力分布规律

ꢒꢀꢃ梁端加载点施加水平位移

ꢋ研究节点进入塑性阶段后的应力分布规律

∀在分析中

ꢋ主要考察的开断

ΡΙ

指标及其相关参数的定义如下

ꢐꢌꢀΡ

ꢀσ

σιϕ

ιϕꢁꢑꢂꢁꢀꢂꢓΠΕΕΘꢓꢔꢕꢁꢃ

ꢌΡ

ꢄ

ꢀΡ

ꢂΡΙ

ꢀꢂꢓ其中

Ρ

为

ꢖ

ꢆꢗ

ꢘ

ꢈꢙꢓꢙ应力

ꢒσ

为应力偏张量

ꢒΠΕΕ

Θ

为ꢓιϕ等效塑性应变

ꢒΡꢂ

为静水应力

ꢋ其定义如下

ꢐ图

ꢊ

ꢀ

梁翼缘沿长度方向的应力分布ꢀꢌΠΕΕ

Θ

ꢀΕꢕΕꢕꢁꢌꢂꢁꢄꢂꢀιϕ

ιϕΡ

ꢅ

Ρ

ꢅ

ΡꢌꢑꢀΡꢂꢀꢌ其中

Εꢕ为塑性应变

ꢋΡ

ꢋΡ

ꢋΡ

为三个主应力

∀ιϕꢑꢀꢌ式ꢁꢀꢃ定义的

ΡΙꢁꢚ

ꢛꢕꢜꢛꢝꢓ

ꢞꢗꢉꢓꢔꢃꢟꢠꢡ是一个表征金属材料在多轴应力下发生塑性破坏可能性的指标

∀根据文献ꢟꢢꢡ

ꢋ比值

Ρ

ꢣΡ

可以代表一个多轴应力状态的ꢂꢓ图

ꢢ

ꢀ

梁翼缘根部沿宽度方向应力分布特征

ꢋ因为发生塑性流动所需要的应变值与指数幂ꢀꢓꢔꢕꢁ

ꢤ

ꢑꢀꢊΡ

ꢣΡ

ꢃ成正比

∀

因此

ꢋ采用等效塑性应变图

ꢢ

为梁根部沿翼缘宽度的

ꢖ

ꢆꢗ

ꢘ

ꢈꢙꢓꢙ应力分布

ꢋ在工字形截面梁柱受力分析中

ꢋ通常假定翼缘截面应力为均匀分布

ꢋ但从图

ꢢ

可以看出梁翼缘截面的应力分布并不均匀

∀ꢄ

种节点的应力分布图形状都是近似的ꢂ

ꢨ

ꢃ形状

∀

ꢧꢅꢌ

试件的应力集中现象最为明显

ꢋ其最大

ꢖ

ꢆꢗ

ꢘ

ꢈꢙꢓꢙ应力出现在翼缘中部

∀其他

ꢌ

种节点的情况稍好一些

ꢋ翼缘中部的应力集中较轻

∀ꢂꢓΠΕΕ

Θ

与ꢓꢔꢕꢁ

ꢤ

ꢑꢀꢊΡ

ꢣΡ

ꢃ的比值

ꢋΡΙ

就可以比较不ꢂꢓ同位置发生延性破坏可能性的相对大小

∀当应力集中区域存在焊接缺陷时

ꢋ在荷载作用下就很容易产生裂缝扩展

ꢋ从而引起节点的脆性破坏

∀因此设法降低节点的应力集中

ꢋ减少节点的焊接缺陷

ꢋ是改善节点抗震性能的重要措施

∀从以上分析可知

ꢋ图

ꢌ

ꢀ

ꢍ

ꢎꢅꢏ

ꢅ

分析采用的材料模型图

ꢄ

ꢀ

有限元网格划分ꢀꢀꢑꢢ通过改变焊接孔形状和大小可以改善梁端翼缘中部的应力集中状况

ꢀ有利于节点抗震

∀在梁翼缘边缘部位

ꢀꢁ

种节点的应力都较大

ꢀ而且与焊接孔构造无关

ꢀ这里是容易发生裂纹扩展的部位

∀验结果和有限元分析结果中都是同样的

∀ꢂꢀ

梁翼缘应力分布图

ꢗ

为梁端水平位移达到

ꢕꢝꢌꢌ

时

ꢀ梁受拉翼缘外表面沿梁轴线方向的

ꢃ

ꢄꢅ

ꢆ

ꢇꢈꢉꢈ应力分布

∀

与图

ꢒ比较可以看出

ꢀ在梁翼缘局部进入塑性之后

ꢀ梁翼缘的应力集中现象出现缓解

∀

应力曲线不再有明显的峰值

ꢀꢁ

种节点之间的差别也变小

∀ꢂꢀ

焊接孔末端的应力状况不同类型节点的焊接孔末端都是一个应力集中比较严重的区域

∀对于

ꢁ

种节点

ꢀ焊接孔末端和梁端的ꢃ

ꢄꢅ

ꢆ

ꢇꢈꢉꢈ应力

Ρꢉ

分别列在表

ꢊ

中

∀图

ꢖ

是梁端水平位移达到

ꢕꢝꢌꢌ

时

ꢀ梁翼缘根部沿横向的

ꢃ

ꢄꢅ

ꢆ

ꢇꢈꢉꢈ应力分布

∀同图

ꢕ

比较也可以看到

ꢀ此时梁翼缘内的应力分布也趋向均匀

∀翼缘中部不再有高的峰值出现

∀

ꢚꢄꢠꢛꢡꢠꢇꢢꢣꢉ地震中的梁柱节点在塑性发展之前就发生了脆性破坏

∀可见关键在于防止脆性破坏的发生

ꢀ如果能够成功地在梁上出现塑性铰

ꢀ那么梁柱节点就能够提供足够的塑性变形和转角

∀图

ꢊꢝ

为梁端水平位移为

ꢕꢝꢌꢌ

时

ꢀ梁受拉翼缘根部的

ΡΙ

分布情况

∀可以看到

ꢐꢑꢔ

的

ΡΙ

值最大

ꢀꢐ

ꢑꢁ的

ΡΙ

值较小

ꢀ其他两种节点的

ΡΙ

值相近

∀可见节点的局部构造对于梁翼缘根部的

ΡΙ

值有较为明显的影响

∀另外节点

ΡΙ

值最高的部位是翼缘两侧

ꢀ这与

ꢃ

ꢄꢅꢆ

ꢇꢈꢉꢈ应力的分布情况是一致的

∀施工中梁翼缘两侧焊趾应该特别注意焊接质量

ꢀ避免出现焊接缺陷

∀ꢔꢀ

焊接孔末端的应力状况焊接孔末端的应力集中表

ꢊ节点类型焊接孔末端梁

ꢀ

ꢀ

端Ρꢉꢋ

ꢆ

ꢎꢏꢍꢂꢓꢂꢀꢁ距离梁端ꢋꢌ

ꢌꢍΡꢉꢋ

ꢆ

ꢎꢏꢍꢂꢓꢁꢀꢔꢂꢕꢖꢀꢗꢂꢓꢔꢀꢒꢂꢕꢖꢀꢗꢐꢑꢊꢐꢑꢂꢐꢑꢔꢐꢑꢁꢒꢒꢒꢒꢂꢓꢂꢀꢒꢂꢕꢂꢓꢂꢀꢒꢊꢊꢒꢂꢓꢂꢀꢁ节点承载力计算值与试验值对比表

ꢂ节

点ꢐꢑꢊꢐꢑꢂꢐꢑꢔꢐꢑꢁ计算值

Πꢘꢋꢙꢚꢍꢊꢒꢕꢀꢒ试验值

ΠꢛꢋꢙꢚꢍꢊꢓꢓꢀꢒΠꢘꢜ

Πꢛꢝꢀꢗꢗꢝꢀꢖꢂꢝꢀꢗꢗꢝꢀꢖꢕꢊꢒꢕꢀꢔꢊꢕꢖꢀꢗꢊꢒꢕꢀꢂꢊꢓꢓꢀꢓꢊꢒꢔꢀꢕꢊꢕꢝꢀꢒ焊接孔末端虽然已经离开梁端一段距离

ꢀ但是应力集中使得此处的应力与梁端相近

ꢀ甚至比梁端还大

∀在试验中发现

ꢀ有些试件首先从焊接孔末端裂开

ꢀ这与此处的应力集中是分不开的

∀梁翼缘端部与焊接孔末端都是焊缝连接

ꢀ如果存在焊接缺陷

ꢀ就会进一步加重应力集中

ꢀ使得在地震荷载作用下

ꢀ比较容易从这两处发生脆性破坏

∀当梁端水平位移达到

ꢕꢝꢌꢌ

时

ꢀ在各个节点的焊接孔末端考察了上述指标

ꢀ其值见表

ꢔ

∀从

ꢁ

种节点应力分布及其最大应力位置可以看出

ꢀ节点的局部构造对其节点区应力分布和应力集中的影响是比较明显的

∀

具有较开阔焊接孔的

ꢐꢑꢂ

和ꢐꢑꢁ

试件在梁翼缘得到了较好的应力分布

ꢀ应力集中现象较轻

∀图

ꢓ

ꢀ

节点荷载ꢁ位移曲线ꢀ五

ꢁ弹塑性计算结果及分析ꢊꢀ

节点承载力图

ꢓ

为弹塑性有限元分析的节点荷载ꢁ位移曲线

ꢀ横坐标为梁端加载点的水平位移

ꢀ纵坐标为相应的水平集中力

∀有限元分析时采用位移控制加载

ꢀ使用增量加载方式及改进的牛顿ꢁ拉斐逊法迭代求解

∀节点承载力计算结果与试验值的对比见表

ꢂ

ꢀ可以看到非线性分析结果与试验结果吻合较好ꢞꢁ

ꢀꢒꢟ

ꢀ非线性有限元分析方法对于模拟试件的承载力和荷载ꢁ位移曲线是可靠的

∀由表中数据可以看到

ꢀ节点局部几何形状对于其塑性极限承载力影响不大

∀

但试件ꢐꢑꢁ

由于开孔长度较大

ꢀ使得梁翼缘在开孔区段容易发生屈曲破坏

ꢀ导致承载力降低较大

∀这个结论在试图

ꢗ

ꢀ

梁翼缘沿长度方向应力分布ꢀ焊接孔末端的应变与应力表

ꢔ节点ꢐꢑꢊꢐꢑꢂꢐꢑꢔꢐꢑꢁΠΕ

Ε

Θꢝꢀꢝꢒꢊ

ꢓꢝꢀꢝꢂꢝ

ꢗꢝꢀꢝꢔꢕ

ꢕꢝꢀꢝꢔꢔ

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可见

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和

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的焊接孔末端

ΡΙ

值较小

∀

而ꢀꢀ

六

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结论及建议标准型节点

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和焊接孔扩大型节点

ꢁꢂꢆ

的

ΡΙ

值则较大

∀试验中有几个节点首先在焊接孔端部与梁翼缘相交处出现塑性发展

ꢀ并且从该处开裂破坏

∀

从表

ꢆ可以看出

ꢀ在焊接孔末端确实出现了较大的

ΡΙ

值

ꢀ是开裂危险性最大的地方

∀其中

ꢁꢂꢅ

和

ꢁꢂꢆ

的

ΡΙ

值最大

ꢀ而另外两种焊接孔扩大型节点的

ΡΙ

值较小

ꢀ这对节点的抗震性能是有利的

∀ꢉꢅꢊ采用非线性有限元理论研究了节点构造对钢框架梁柱节点抗脆性断裂性能的影响

ꢀ计算结果表明

ꢀ通过改变节点的细部构造

ꢀ特别是增大焊接孔的尺寸可以显著地缓解节点的应力集中现象

ꢀ在不改变节点安装工艺的条件下

ꢀ是提高节点抗震性能的有效措施之一

∀ꢉꢃꢊ通过比较

ꢄ

种不同的节点构造类型的

ꢋ

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ꢏꢐꢑꢐ应力和断裂指标

ΡΙ

ꢀ提出的改进型节点

ꢀ特别是焊孔加长的节点

ꢁꢂꢄ

有效地改善了节点的焊接条件

ꢀ既提高了节点的延性

ꢀ又对节点强度影响很小

ꢀ且施工方便

ꢀ是一种值得推荐的新型抗震节点

∀参考文献ꢅꢀ

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赵大伟

ꢀ石永久

ꢀ陈宏

ꢖ低周往复荷载下梁柱节点的试验研究

ꢖ建筑结构

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ꢖꢱꢀ

石永久

ꢀ李兆凡

ꢀ陈宏等

ꢖ高层钢框架新型梁柱节点抗震性能试验研究

ꢖ建筑结构学报

ꢀꢃꢈꢈꢃ

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