鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點(diǎn)性能分析

鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點(diǎn)性能分析摘要：鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的質(zhì)量。本文通過(guò)概述鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點(diǎn)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(diǎn)性能，分析多種要素對(duì)于節(jié)點(diǎn)性能的影響，為優(yōu)化節(jié)點(diǎn)質(zhì)量提供參考意見，提升建筑工程整體質(zhì)量，突出項(xiàng)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(diǎn)前言：鋼結(jié)構(gòu)具有韌性塑性強(qiáng)、重量輕、制造簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)，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(diǎn)是框架關(guān)鍵連接位置，其性能會(huì)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(diǎn)的實(shí)際性能，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)性能。1鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點(diǎn)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(guò)雙面膠焊接腹板。上述連接模式對(duì)于焊接技術(shù)要求較高，若操作失誤會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，對(duì)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(qiáng)螺栓連接梁翼和柱翼，不會(huì)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(guò)大剛度角鋼連接高強(qiáng)螺栓，借助剪力板連接柱翼和高強(qiáng)螺栓。多層鋼結(jié)構(gòu)中主要利用剛性連接梁柱，通過(guò)柱貫通方式連接框架柱和梁。針對(duì)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(shí)際寬厚比值，防止連接節(jié)點(diǎn)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(wú)線位移，不過(guò)可以進(jìn)行自由的轉(zhuǎn)動(dòng)。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(shí)，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(diǎn)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(diǎn)的研究?jī)?nèi)容，構(gòu)建建筑工程中鋼框架梁的非線性節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其中模型劃分結(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(diǎn)相互連續(xù)，實(shí)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(diǎn)時(shí)，最關(guān)鍵的問(wèn)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(dá)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(shí)，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(huì)通過(guò)多次迭代進(jìn)行收斂。在分析梁柱節(jié)點(diǎn)性能時(shí)，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(jì)算階段需查看端板節(jié)點(diǎn)位移與反力。若該數(shù)值是負(fù)數(shù)，則說(shuō)明此節(jié)點(diǎn)的柱翼緣和端板分離，需要在下一階段釋放節(jié)點(diǎn)。2.2.2性能結(jié)果分析本課題選擇兩個(gè)試件完成有限元計(jì)算，將其設(shè)置為ST-3與ST-4，經(jīng)過(guò)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(duì)ST-3試件安裝加勁肋后，會(huì)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(shuō)明端板變形后會(huì)提升節(jié)點(diǎn)的杠桿力⑵。4）柱中翼緣和節(jié)點(diǎn)的加勁肋連接位置應(yīng)力較高，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中需保證其強(qiáng)度的科學(xué)性。5）連接節(jié)點(diǎn)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(duì)ST-3安裝加勁肋后，問(wèn)題得到解決。2.3節(jié)點(diǎn)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(guò)該節(jié)點(diǎn)受力性能會(huì)受到螺栓杠桿力、端板變形情況的影響。其中，節(jié)點(diǎn)抗彎狀態(tài)如下：梁所需的非彈性轉(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)剛度和耗能水平，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)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(shí)，會(huì)使鋼結(jié)構(gòu)梁柱板無(wú)法參與非彈性形變，其中參與轉(zhuǎn)動(dòng)值為0.02rads。因此，在設(shè)計(jì)外伸端板連接過(guò)程中，需重點(diǎn)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(wèn)題。端板最大容許剪力設(shè)計(jì)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(jì)階段，對(duì)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(jìn)行設(shè)計(jì)：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(jì)算螺栓最大杠桿力，進(jìn)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(shí)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(guò)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(shí)增加板的厚度能夠緩解彎曲變形問(wèn)題，減少螺栓拉力⑶。2.3.2節(jié)點(diǎn)板域鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點(diǎn)性能、延性和承載水平密切相關(guān)，而節(jié)點(diǎn)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(diǎn)強(qiáng)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)板域和梁結(jié)構(gòu)的一同屈服，此階段節(jié)點(diǎn)因材料硬化承載力強(qiáng)，會(huì)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(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注加勁肋問(wèn)題，若數(shù)量設(shè)置較多會(huì)影響板域變形情況，減少節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)度和焊縫長(zhǎng)度，能夠擴(kuò)大腹板收縮面積，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)延性。此外，對(duì)于不安裝加勁肋的柱結(jié)構(gòu)，若其處于極限情況會(huì)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(wú)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(jìn)行承擔(dān)?；诶ψ饔檬苟税鍙澢?，因此設(shè)計(jì)階段應(yīng)將梁代替板完成彎矩的計(jì)算，得出具體的板厚。例如，可以同時(shí)計(jì)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(jì)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(jì)強(qiáng)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(diǎn)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(duì)節(jié)點(diǎn)操作不科學(xué)發(fā)生質(zhì)量事故。從鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)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(qiáng)對(duì)節(jié)點(diǎn)連接方式的質(zhì)量控制，提升節(jié)點(diǎn)性能，具體內(nèi)容如下：2.4.1鉸接節(jié)點(diǎn)由于鉸接節(jié)點(diǎn)主要借助常規(guī)螺栓連接梁和次梁，因此質(zhì)量?jī)?yōu)化途徑如下：劃分螺栓等級(jí)，結(jié)合實(shí)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(duì)螺栓孔完成防腐操作。同時(shí)，安裝鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)前期需選擇受力小的區(qū)域進(jìn)行連接，保證梁腹板與節(jié)點(diǎn)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(diǎn)出現(xiàn)屈曲問(wèn)題。此外，應(yīng)科學(xué)計(jì)算節(jié)點(diǎn)板厚度，若厚度過(guò)厚會(huì)浪費(fèi)材料，而材料過(guò)薄將不滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的要求。因此，建議科學(xué)控制設(shè)計(jì)厚度，規(guī)避框架節(jié)點(diǎn)性能。2.4.2剛接節(jié)點(diǎn)剛接節(jié)點(diǎn)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(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)。在連接過(guò)程中對(duì)于螺栓的質(zhì)量控制要點(diǎn)如下：第一，針對(duì)摩擦類高強(qiáng)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(diǎn)連接性能。第二，對(duì)于承壓類高強(qiáng)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)。第三，栓焊連接過(guò)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(duì)焊縫需科學(xué)分析材料、焊接模式，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)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(jí)內(nèi)，借助對(duì)接焊縫的方式，提升節(jié)點(diǎn)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(diǎn)抗震性是設(shè)計(jì)關(guān)鍵，因此有必要研究節(jié)點(diǎn)性能?；诠?jié)點(diǎn)類型、連接模式，依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)施工規(guī)范和設(shè)計(jì)模塊分析框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)施工要素。針對(duì)不同節(jié)點(diǎn)需控制焊縫、鋼筋、模板、混凝土等要素的質(zhì)量，把控節(jié)點(diǎn)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(diǎn)性能。參考文獻(xiàn)：梁乘