鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點性能分析

鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點性能分析摘要：鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點施工是提升建筑抗震性的主要工序，因此應(yīng)優(yōu)化梁柱節(jié)點的質(zhì)量。本文通過概述鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點內(nèi)容，圍繞有限元模型、載荷等方面研究鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點性能，分析多種要素對于節(jié)點性能的影響，為優(yōu)化節(jié)點質(zhì)量提供參考意見，提升建筑工程整體質(zhì)量，突出項目結(jié)構(gòu)的抗震性能。關(guān)鍵詞：建筑工程；鋼結(jié)構(gòu)框架；梁柱節(jié)點前言：鋼結(jié)構(gòu)具有韌性塑性強、重量輕、制造簡便的優(yōu)勢，該模式在建筑工程中的應(yīng)用可以縮短施工周期、提升抗震性能。其中梁、柱節(jié)點是框架關(guān)鍵連接位置，其性能會決定框架結(jié)構(gòu)在載荷基礎(chǔ)下的整體性。因此，有必要深入分析鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點的實際性能，實現(xiàn)構(gòu)件和節(jié)點的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，優(yōu)化節(jié)點性能。1鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點概述1.1剛性連接模式其一，全焊連接。借助融透的方式焊接梁上下翼，通過雙面膠焊接腹板。上述連接模式對于焊接技術(shù)要求較高，若操作失誤會導(dǎo)致應(yīng)力集中，對施工結(jié)構(gòu)受到影響。其二，全栓焊接。借助T型鋼，使用高強螺栓連接梁翼和柱翼，不會產(chǎn)生三向應(yīng)力和殘余應(yīng)力。其三，混合連接。該模式包含兩方面內(nèi)容：一方面是利用融透焊接梁上下翼，并通過大剛度角鋼連接高強螺栓，借助剪力板連接柱翼和高強螺栓。多層鋼結(jié)構(gòu)中主要利用剛性連接梁柱，通過柱貫通方式連接框架柱和梁。針對抗震部分，應(yīng)確保梁翼緣厚度和加勁肋相同。若屬于非抗震區(qū)域，加勁肋的厚度應(yīng)N梁翼緣厚度的1/2，滿足板件的實際寬厚比值，防止連接節(jié)點受到破壞。1.2柔性連接模式柔性連接又稱為鉸接連接，在梁側(cè)無線位移，不過可以進行自由的轉(zhuǎn)動。該模式包含承托、端板以及角鋼三方面。其中，角鋼主要連接柱和梁腹板，可以借助連接板替代角鋼。端板連接模式和角鋼相同，但不可替代。利用承托連接模式連接柱的腹板時，主要將厚板當(dāng)作承托構(gòu)件，防止柱腹板彎矩較大，確保偏心力矩傳輸至柱翼位置。2鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點性能研究2.1構(gòu)建有限元模型本課題主要借助有限元軟件，依據(jù)相關(guān)學(xué)者關(guān)于連接節(jié)點的研究內(nèi)容，構(gòu)建建筑工程中鋼框架梁的非線性節(jié)點有限元模型，分析其中力學(xué)性能的差異性，為后續(xù)工程梁柱節(jié)點連接模式提供新思路⑴課題主要利用有限元分析程序構(gòu)建實驗?zāi)Ｐ停渲心Ｐ蛣澐纸Y(jié)構(gòu)為：板單元（柱腹板、梁腹板、梁翼緣），塊體單元（螺母、螺帽、翼源）。在模型建設(shè)階段，螺母、螺帽和周邊板件密切結(jié)合，因此端板、柱翼緣等節(jié)點相互連續(xù)，實現(xiàn)端板和塊體單元的融合。在分析外伸端板位置的連接節(jié)點時，最關(guān)鍵的問題是端板和柱翼緣的接觸情況。該要素是指非線性狀態(tài)，當(dāng)載荷達到某一數(shù)值后，可以分開柱翼緣與端板，但梁的翼緣區(qū)域緊密接觸。因此，構(gòu)建有限元模型時，需借助界面單元代替端板與柱翼緣的接觸面。2.2支承邊界和載荷條件分析2.2.1載荷分析端板相互連接的非線性特性主要由柱翼緣、非線性材料、端板接觸面變化形成，載荷會通過多次迭代進行收斂。在分析梁柱節(jié)點性能時，若柱翼緣與端板接觸情況未知，應(yīng)借助迭代的方式確定載荷。若柱翼緣和端板相互接觸，則在計算階段需查看端板節(jié)點位移與反力。若該數(shù)值是負(fù)數(shù)，則說明此節(jié)點的柱翼緣和端板分離，需要在下一階段釋放節(jié)點。2.2.2性能結(jié)果分析本課題選擇兩個試件完成有限元計算，將其設(shè)置為ST-3與ST-4，經(jīng)過有限元分析可以得出其應(yīng)力分布情況和變形模式：1）端板連接位置和梁的受拉翼緣位置應(yīng)力較高，原因是端板出現(xiàn)變形彎曲情況。2）當(dāng)對ST-3試件安裝加勁肋后，會降低柱翼緣的變形情況，導(dǎo)致其和端板相互分離。而ST-4未設(shè)置加勁肋，端板和柱翼緣一同外凸，變形情況嚴(yán)重。3）ST-4相較于ST-3在端板的外伸區(qū)域柱翼緣、邊緣應(yīng)力分布高，說明端板變形后會提升節(jié)點的杠桿力⑵。4）柱中翼緣和節(jié)點的加勁肋連接位置應(yīng)力較高，因此在設(shè)計過程中需保證其強度的科學(xué)性。5）連接節(jié)點位置梁的內(nèi)側(cè)螺栓和外側(cè)螺栓相比拉力較大，當(dāng)對ST-3安裝加勁肋后，問題得到解決。2.3節(jié)點性能分析2.3.1外伸端板螺栓外伸端板螺栓模式剛度較大，可以有效傳遞相鄰構(gòu)件彎矩，不過該節(jié)點受力性能會受到螺栓杠桿力、端板變形情況的影響。其中，節(jié)點抗彎狀態(tài)如下：梁所需的非彈性轉(zhuǎn)動模式、梁塑性發(fā)展水平、端板破壞（受剪破壞、受彎破壞）、連接螺栓破壞等。上述狀態(tài)容易影響節(jié)點剛度和耗能水平，導(dǎo)致節(jié)點出現(xiàn)脆性破壞，影響建筑工程建設(shè)質(zhì)量。當(dāng)發(fā)生地震時，會使鋼結(jié)構(gòu)梁柱板無法參與非彈性形變，其中參與轉(zhuǎn)動值為0.02rads。因此，在設(shè)計外伸端板連接過程中，需重點分析端板受剪情況、杠桿效應(yīng)等因素，防止端板受剪和螺栓出現(xiàn)斷裂等脆性破壞問題。端板最大容許剪力設(shè)計公式為：Vmax=0.55bbt。在式子中，b=bs-nd（b是端板的凈寬度），by是屈服應(yīng)力、b是端板寬度，n為螺栓數(shù)量。因此，在工程設(shè)計階段，對于未安裝加勁肋的相關(guān)外伸端板，應(yīng)結(jié)合以下要求進行設(shè)計：第一，明確螺栓大小和連接尺寸。%第二，求出端板的厚度和抗彎承載力。第三，利用公式Q二二計算螺栓最大杠桿力，進而確定螺栓大小和尺寸。其中Q是最大杠桿力，M為抗彎的承載力，x是合力作用位置。注意必要時需科學(xué)調(diào)節(jié)螺栓的具體位置，得到端板最大剪力。因此，經(jīng)過分析可以得出外伸端板螺栓具有良好的延性、承載力與耗能水平，適用于建筑工程鋼結(jié)構(gòu)框架施工中，同時增加板的厚度能夠緩解彎曲變形問題，減少螺栓拉力⑶。2.3.2節(jié)點板域鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點性能、延性和承載水平密切相關(guān)，而節(jié)點板域?qū)嶋H上是梁柱連接梁位置的腹板區(qū)，其中連接節(jié)點強度和延性成反比。因此，施工人員能科學(xué)設(shè)置板域的厚度進而實現(xiàn)板域和梁結(jié)構(gòu)的一同屈服，此階段節(jié)點因材料硬化承載力強，會提高延性，產(chǎn)生非彈性形變，保證其螺栓、端板和柱翼緣處于彈性階段。當(dāng)借助半剛性方式連接梁柱時，應(yīng)重點關(guān)注加勁肋問題，若數(shù)量設(shè)置較多會影響板域變形情況，減少節(jié)點耗能和延性，甚至使腹板斷裂，原因是該區(qū)域的收縮應(yīng)力突然增加。若降低加勁肋的長度和焊縫長度，能夠擴大腹板收縮面積，優(yōu)化節(jié)點延性。此外，對于不安裝加勁肋的柱結(jié)構(gòu)，若其處于極限情況會導(dǎo)致焊縫拉開，需要科學(xué)控制柱腹板厚度，分析其在荷載壓力下的縱向壓應(yīng)力。2.3.3端板工程建設(shè)中梁端的剪力與端板厚度無關(guān)，其與螺栓直徑和數(shù)量相關(guān)。若承受彎矩設(shè)置為M，拉力主要由梁翼緣的上側(cè)、下側(cè)螺栓進行承擔(dān)?；诶ψ饔檬苟税鍙澢?，因此設(shè)計階段應(yīng)將梁代替板完成彎矩的計算，得出具體的板厚。例如，可以同時計算端板和螺栓，并契合塑性鉸、極限承載力以及平衡條件。由于其受拉翼緣所傳導(dǎo)的拉力可以被螺栓承受，建議將螺栓結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B接件完成計算。其中端板厚度和螺栓直徑的關(guān)系為：P=T+QWA?f%fbt是設(shè)計強度，Q是杠桿力，主要取值范圍是0.1-0.2Nt，P是螺栓所受到的拉力，A是螺栓截面積。2.4節(jié)點性能優(yōu)化建議由于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式和連接模式十分復(fù)雜，因此在施工階段需關(guān)注其連接模式，防止對節(jié)點操作不科學(xué)發(fā)生質(zhì)量事故。從鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點連接模式分析，主要包含剛接、鉸接和半剛接方式。因此有必要加強對節(jié)點連接方式的質(zhì)量控制，提升節(jié)點性能，具體內(nèi)容如下：2.4.1鉸接節(jié)點由于鉸接節(jié)點主要借助常規(guī)螺栓連接梁和次梁，因此質(zhì)量優(yōu)化途徑如下：劃分螺栓等級，結(jié)合實際的螺栓孔要求，依據(jù)施工規(guī)范處理該部位，在安裝前期對螺栓孔完成防腐操作。同時，安裝鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點前期需選擇受力小的區(qū)域進行連接，保證梁腹板與節(jié)點板之間的焊縫可以滿足受力需求以及構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)，避免節(jié)點出現(xiàn)屈曲問題。此外，應(yīng)科學(xué)計算節(jié)點板厚度，若厚度過厚會浪費材料，而材料過薄將不滿足“強節(jié)點、弱構(gòu)件”的要求。因此，建議科學(xué)控制設(shè)計厚度，規(guī)避框架節(jié)點性能。2.4.2剛接節(jié)點剛接節(jié)點大部分處于梁柱連接階段，包含全焊接和栓焊接方式，并采取高強螺栓連接節(jié)點。在連接過程中對于螺栓的質(zhì)量控制要點如下：第一，針對摩擦類高強螺栓，應(yīng)科學(xué)處理其摩擦面，結(jié)合施工規(guī)范開展工作，優(yōu)化節(jié)點連接性能。第二，對于承壓類高強螺栓，需增加恰當(dāng)?shù)念A(yù)壓力，確保該結(jié)果滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。第三，栓焊連接過程中，螺栓基本功能是安裝，因此需結(jié)合普通螺栓標(biāo)準(zhǔn)完成質(zhì)量控制。針對焊縫需科學(xué)分析材料、焊接模式，優(yōu)化節(jié)點性能。第四，科學(xué)選擇蓋板的種類，保證柱和蓋板、梁和蓋板的焊縫在特定的質(zhì)量等級內(nèi)，借助對接焊縫的方式，提升節(jié)點的滯回性。結(jié)論：綜上所述，優(yōu)化建筑工程鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點抗震性是設(shè)計關(guān)鍵，因此有必要研究節(jié)點性能?；诠?jié)點類型、連接模式，依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)施工規(guī)范和設(shè)計模塊分析框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點施工要素。針對不同節(jié)點需控制焊縫、鋼筋、模板、混凝土等要素的質(zhì)量，把控節(jié)點區(qū)域混凝土澆筑品質(zhì)，優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點性能。參考文獻：梁乘