梁柱裝配式剛性節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用

梁柱裝配式剛性節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用

新型節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用目前，楊梁段高差大的鉆石剛端框架已廣泛應(yīng)用于世界各國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。這也是中國(guó)高、民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（jgj9-98）1和建筑承受設(shè)計(jì)規(guī)范（gb50011-2010）2的推薦形式。帶懸臂梁段拼接的鋼框架節(jié)點(diǎn)將短懸臂梁段與柱在工廠焊接,預(yù)留螺栓孔,在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行梁拼接的高強(qiáng)螺栓安裝,如圖1所示。該節(jié)點(diǎn)形式應(yīng)用廣泛,文獻(xiàn)[3-9]通過(guò)不同研究方法對(duì)該形式節(jié)點(diǎn)承載能力和抗震性能等方面進(jìn)行了研究。本文研究了一種新型梁柱裝配式剛性節(jié)點(diǎn)［10］,如圖2所示,它采用非對(duì)稱(chēng)形式的拼接,包括鋼柱、與鋼柱焊接的懸臂梁段、鋼框架梁、拼接板及配套的螺栓,其中,梁的上翼緣拼接板布置框架梁段的上側(cè),并預(yù)先在加工廠內(nèi)與上翼緣完成焊接,梁的下翼緣拼接板布置懸臂梁段的下側(cè),并預(yù)先在加工廠內(nèi)與下翼緣完成焊接,在現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中,梁的上、下翼緣拼接板充當(dāng)就位板作用,構(gòu)件就位后,梁的上、下翼緣和腹板全部用螺栓連接,實(shí)現(xiàn)梁柱節(jié)點(diǎn)的剛性連接。該新型節(jié)點(diǎn)形式具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中無(wú)焊接、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)。本文通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件對(duì)該新型梁柱裝配式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行非線性靜力分析,研究此類(lèi)節(jié)點(diǎn)在靜力荷載作用下的破壞模式和荷載-位移曲線,以期得到此種裝配式剛性節(jié)點(diǎn)的承載力與破壞模式隨幾何參數(shù)的變化規(guī)律。1試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)及材料參數(shù)新型裝配式剛性節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù):翼緣拼接板的厚度t1和長(zhǎng)度l1(與上下翼緣拼接板上高強(qiáng)螺栓的個(gè)數(shù)有關(guān)),懸臂梁段預(yù)留長(zhǎng)度l0。對(duì)新型梁柱裝配式剛性節(jié)點(diǎn),梁和柱選擇Q235B熱軋H鋼［11］,梁截面:400mm×200mm×8mm×13mm,柱截面:300mm×300mm×10mm×15mm。各項(xiàng)材料指標(biāo)具體數(shù)值見(jiàn)表1所示。鋼材本構(gòu)關(guān)系如圖3所示;焊條采用E43型,焊縫力學(xué)指標(biāo)參考文獻(xiàn)。采用直徑為20mm的10.9級(jí)摩擦型高強(qiáng)螺栓,預(yù)拉力P=155kN,接觸面按噴砂后生赤銹處理,摩擦系數(shù)μ=0.45。本構(gòu)關(guān)系如圖4所示。采用等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法對(duì)基本試件BASE初步設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)可知:翼緣拼接板一側(cè)所需要的高強(qiáng)螺栓數(shù)目為8個(gè),螺栓端距為50mm,栓距為80mm,邊距為60mm,線距為120mm;翼緣拼接板寬度為240mm,翼緣拼接板厚度為10mm,翼緣拼接板長(zhǎng)度為610mm;根據(jù)翼緣拼接板厚度和梁翼緣的厚度將角焊縫的焊腳尺寸hf=8mm,每條側(cè)面角焊縫的長(zhǎng)度為260mm。腹板連接為雙剪,單側(cè)需要的螺栓數(shù)目為4個(gè),螺栓端距為50mm,栓距為80mm,邊距為50mm,線距為100mm;腹板連接板的尺寸:340mm×200mm×10mm。另外,懸臂梁段預(yù)留長(zhǎng)度為750mm。為了研究翼緣拼接板的長(zhǎng)度l1、翼緣拼接板的厚度t1和懸臂梁段預(yù)留長(zhǎng)度l0這3個(gè)參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞模式和承載力的影響,在基本試件BASE的基礎(chǔ)上,分別設(shè)計(jì)了3組試件;此外,為了對(duì)比分析新型裝配式剛性節(jié)點(diǎn)與傳統(tǒng)拼接節(jié)點(diǎn)在承載力與破壞模式等方面的不同,還設(shè)計(jì)了第4組試件。各組試件幾何參數(shù)如表2所示。2接觸模型的建立利用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)新型剛性節(jié)點(diǎn)建立三維實(shí)體(Solid)模型。梁、柱、螺栓等實(shí)體采用8節(jié)點(diǎn)六面體線性非協(xié)調(diào)模式單元模擬,螺栓預(yù)拉力的施加采用預(yù)拉力單元模擬,考慮拼接板與翼緣和腹板,螺栓帽與板件之間的摩擦作用,考慮螺栓桿與孔壁之間的接觸作用,所有接觸均選用面-面接觸形式。模型網(wǎng)格劃分單元:螺栓種子大小為5mm,梁柱非加密處種子大小為8cm,加密處及焊縫處種子大小為2cm。模型的邊界約束條件和加載方式:試件柱腳固定,在柱端施加X(jué)、Y和Z方向的約束。采用位移加載制度,將梁懸臂端截面上的所有節(jié)點(diǎn)的豎向位移耦合,在耦合中心點(diǎn)上施加逐漸增大的豎向位移,加載設(shè)置12級(jí)分析步,每級(jí)位移加載10mm,從0mm一直加至120mm。3結(jié)論分析3.1節(jié)點(diǎn)內(nèi)部拼接板參數(shù)由圖5可知:在其他條件相同時(shí),當(dāng)l1=530mm時(shí),拼接板長(zhǎng)度過(guò)短導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)在梁下翼緣處的拼接處發(fā)生撕裂,還會(huì)導(dǎo)致鋼梁的腹板發(fā)生嚴(yán)重的局部屈曲,如果焊縫質(zhì)量不能得到保證,那么會(huì)導(dǎo)致拼接板在焊縫處撕開(kāi),鋼梁的下翼緣拼接失去作用,即節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞。當(dāng)l1=770mm時(shí),拼接板長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致拼接板在梁下翼緣拼接處發(fā)生輕微局部彎曲。當(dāng)l1=610mm和l1=690mm時(shí),梁下翼緣處的拼接板幾乎沒(méi)有發(fā)生變形和破壞。得出結(jié)論:為了改善此類(lèi)剛性節(jié)點(diǎn)破壞模式,建議拼接板長(zhǎng)度l1取值范圍:1.6h0≦l1≦1.9h0。由圖6可知:在其他條件相同時(shí),當(dāng)t1=8mm時(shí),拼接板的厚度過(guò)薄會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)在梁下翼緣處的拼接處發(fā)生嚴(yán)重外鼓現(xiàn)象,如果焊縫質(zhì)量良好,拼接板的外鼓會(huì)導(dǎo)致鋼梁的下翼緣的兩側(cè)發(fā)生彎曲;如果焊縫質(zhì)量不能得到保證,那么會(huì)導(dǎo)致拼接板在焊縫處撕開(kāi),鋼梁的下翼緣拼接失去作用,即節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞;當(dāng)t1=12mm時(shí),在梁下翼緣拼接處拼接板發(fā)生外鼓,如果焊縫質(zhì)量不能得到保證,會(huì)導(dǎo)致拼接板在焊縫處撕開(kāi),鋼梁的下翼緣拼接失去作用,即節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞。當(dāng)t1=10mm和t1=14mm時(shí),梁下翼緣拼接處幾乎沒(méi)有發(fā)生彎曲和破壞現(xiàn)象。由圖7可知:在其他條件相同時(shí),改變懸臂梁段預(yù)留長(zhǎng)度l0對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞模式產(chǎn)生的影響并不明顯。由圖8可知:新型梁柱裝配式剛性節(jié)點(diǎn)能夠明顯改善傳統(tǒng)剛性節(jié)點(diǎn)的破壞模式,避免由于焊縫產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象。BASE試件大致破壞過(guò)程是:在施加荷載初始階段,鋼柱和梁幾乎沒(méi)有發(fā)生變化;隨著荷載的增大,鋼梁下翼緣靠近梁柱焊縫處發(fā)生局部翹曲現(xiàn)象,鋼梁豎向位移不斷增大,梁加載端腹板局部屈曲,節(jié)點(diǎn)域處鋼柱彎曲,隨著荷載的繼續(xù)增大,鋼柱彎曲嚴(yán)重,鋼梁下翼緣翹曲現(xiàn)象嚴(yán)重,繼續(xù)加載直至試件破壞。3.2新型節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)通過(guò)有限元軟件的分析可以得到以下結(jié)果:根據(jù)試件梁端加載點(diǎn)的P-Δ曲線可以得知:所有試件的P-Δ曲線發(fā)展規(guī)律基本相同,在開(kāi)始施加荷載一段范圍內(nèi),梁端豎向位移較小,P-Δ曲線呈線性增長(zhǎng),此時(shí)節(jié)點(diǎn)均處于彈性受力階段。過(guò)了屈服點(diǎn)后,曲線呈現(xiàn)非線性關(guān)系增長(zhǎng),此時(shí)的鋼梁發(fā)生了彈塑性變形。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的荷載繼續(xù)增大節(jié)點(diǎn)進(jìn)入強(qiáng)化階段,荷載位移曲線將達(dá)到峰值,即到達(dá)極限承載力。當(dāng)加載位移超過(guò)節(jié)點(diǎn)極限位移后,承載力開(kāi)始呈逐漸下降的趨勢(shì),剛度平穩(wěn)退化,開(kāi)始進(jìn)入破壞階段。根據(jù)表3和圖9可以得知:在彈性階段,除試件LFS1外,其他試件的P-Δ曲線幾乎重合;試件均在位移為12mm左右時(shí)進(jìn)入屈服階段;在進(jìn)入屈服和強(qiáng)化階段之后,當(dāng)位移為30mm時(shí),試件承載力:BASE為171.27kN,LFS2為168.62kN,LFS3為161.48kN,LFS1為145.07kN。數(shù)據(jù)表明:在其條件相同時(shí),過(guò)大或過(guò)小拼接板的長(zhǎng)度使得試件承載力降低;在設(shè)計(jì)這種新型節(jié)點(diǎn)時(shí),為了提高節(jié)點(diǎn)的承載力和改善節(jié)點(diǎn)的破壞模式,建議翼緣拼接板長(zhǎng)度l1取值范圍:1.6h0≦l1≦1.9h0,其中h0為梁有效截面高度。根據(jù)表4和圖10可以得知:在彈性階段,四個(gè)試件的P-Δ曲線幾乎重合,當(dāng)梁端位移達(dá)到12mm左右進(jìn)入屈服階段,在進(jìn)入屈服之后,當(dāng)位移加至30mm時(shí),試件承載力:TFS3為178.63kN,BASE為171.27kN,TFS2為167.32kN,TFS1為163.12kN。數(shù)據(jù)表明:在其它條件相同時(shí),適當(dāng)增大拼接板厚度能夠明顯提高節(jié)點(diǎn)承載力但是使得節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能力降低,減小拼接板厚度,節(jié)點(diǎn)承載力降低。在設(shè)計(jì)此類(lèi)新型節(jié)點(diǎn)時(shí),應(yīng)該滿(mǎn)足拼接板的橫截面面積A1與梁翼緣橫截面面積A的比值不小于1.2。根據(jù)表5和圖11可以得知:在彈性階段,5個(gè)試件的P-Δ曲線幾乎重合,當(dāng)梁端位移達(dá)到12mm左右時(shí)進(jìn)入屈服階段;在進(jìn)入屈服和強(qiáng)化階段之后,當(dāng)位移為30mm時(shí),試件承載力:LBR4為183.43kN,LBR1為177.18kN,BASE為171.27kN,LBR2為162.24kN,LBR3為156.13kN。當(dāng)位移為68.63mm時(shí),試件梁端轉(zhuǎn)角:LBR4為0.041rad,LBR1為0.040rad,BASE為0.039rad,LBR2為0.038rad,LBR3為0.037rad。數(shù)據(jù)表明:在其它條件相同時(shí),隨著梁段預(yù)留長(zhǎng)度的增大,試件承載力逐漸降低。得出結(jié)論:在設(shè)計(jì)這種新型節(jié)點(diǎn)時(shí),建議梁預(yù)留段長(zhǎng)度l0取值范圍1.6h0≦l0≦2h0,其中h0為鋼梁有效截面高度。根據(jù)表6和圖12中可以看出按等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的新型節(jié)點(diǎn)BASE與無(wú)拼接節(jié)點(diǎn)NSJ的P-Δ曲線變化趨勢(shì)相同,在彈性階段兩條曲線幾乎重合,但是在進(jìn)入屈服階段和強(qiáng)化階段之后,BASE的承載力略高于NSJ。當(dāng)梁端位移均達(dá)到30mm,即塑性轉(zhuǎn)角發(fā)展到約0.02rad時(shí),梁端荷載:BASE為171.27kN,NSJ為160.32kN;當(dāng)梁端位移達(dá)到60mm,即塑性轉(zhuǎn)角發(fā)展到約0.04rad時(shí),梁端荷載:BASE為200.54kN,NSJ為189.26kN。數(shù)據(jù)表明:在參數(shù)取值合理的情況下,新型節(jié)點(diǎn)能夠略微提高節(jié)點(diǎn)承載力。4節(jié)點(diǎn)破壞模式及價(jià)值通過(guò)變化拼接板長(zhǎng)度、拼接板寬度和預(yù)留梁段長(zhǎng)度3個(gè)參數(shù)研究8個(gè)梁柱裝配式剛性節(jié)點(diǎn)的幾何、材料、狀態(tài)非線性數(shù)值分析可以得到以下結(jié)論:(1)在設(shè)計(jì)參數(shù)取值合理的情況下,新型梁柱裝配式剛性節(jié)點(diǎn)與無(wú)拼接節(jié)點(diǎn)相比能夠略微提高節(jié)點(diǎn)承載力。(2)新型節(jié)點(diǎn)的破壞模式為:初始階段,鋼柱和梁幾乎沒(méi)有發(fā)生變化;隨著梁端位移的增大,靠近梁柱焊縫處大約4cm處,梁下翼緣發(fā)生局部翹曲現(xiàn)象;梁端豎向位移繼續(xù)增大,梁加載端腹板局部屈