隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，土木工程領(lǐng)域鋼結(jié)構(gòu)所占的份額越來(lái)越重。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)起著傳力樞紐的作用，在整個(gè)結(jié)構(gòu)中占有關(guān)鍵的地位。常用的節(jié)點(diǎn)按照剛度的不同可以分為剛性節(jié)點(diǎn)、半剛性節(jié)點(diǎn)和鉸接節(jié)點(diǎn)n]。美國(guó)北嶺和日本阪神地震表明，剛性節(jié)點(diǎn)因?yàn)檠有圆钤诘卣鹬腥菀装l(fā)生脆性破壞從而造成很大的損失；而半剛性節(jié)點(diǎn)由于其有良好的延性，在地震中耗能能力強(qiáng)，可以消耗部分地震能量，從而使地震災(zāi)害降低。近年來(lái)對(duì)半剛性節(jié)點(diǎn)的研究越來(lái)越受重視，角鋼連接就是一種典型的半剛性節(jié)點(diǎn)，本文研究的是角鋼連接中的頂?shù)捉卿撨B接。巴西UERJ—State大學(xué)的Lima對(duì)這種節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了弱軸方向的有限元分析心]，驗(yàn)證了腹板有效寬度的計(jì)算公式；武漢大學(xué)的王新武等進(jìn)行了這類節(jié)點(diǎn)滯回性能的試驗(yàn)研究口’；盧小松、顧強(qiáng)指出已有的M一咿曲線方程不能很好地描述這種節(jié)點(diǎn)的曲線特性，提出了一種更好的模型r4’；李國(guó)華、顧強(qiáng)，對(duì)頂?shù)捉卿撨B接進(jìn)行了極限彎矩的探討，并提出了極限彎矩的計(jì)算公式_5]。
角鋼連接采用高強(qiáng)度螺栓把梁柱連接起來(lái)，消除了焊接帶來(lái)的殘余應(yīng)力和殘余變形，而且施工速度快，質(zhì)量也易保證。從另一方面看，由于該連接具有較好的延性，所以抗震性能突出，能夠增加結(jié)構(gòu)的阻尼、延長(zhǎng)周期、減小振幅從而減少震害，并且具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，對(duì)該類型節(jié)點(diǎn)的研究是很必要的。
2有限元模型
2．1 幾何模型和材料特性
根據(jù)文獻(xiàn)[3]，柱長(zhǎng)為2．7 m、梁長(zhǎng)為1．8 m，梁柱均選用H型鋼，梁截面HM300×200×8×12、柱截面HW200×200×12×12；柱子中部與梁通過(guò)角鋼連接，柱腹板與梁上下翼緣平齊處設(shè)置柱腹板加勁肋，在距離梁末端0．1 m處設(shè)置梁腹板加勁肋并在此施加荷載。本文共建立7個(gè)模型，通過(guò)分析比較確定各因素的影響程度。具體尺寸見(jiàn)表1所示。其中，模型Mx．1、M X．2和Mx．3用來(lái)確定角鋼厚度的影響；模型Mx．1、Mx．4和M X．5用來(lái)確定加勁肋的影響；模型Mx．1、Mx．6和M X．7用來(lái)確定螺栓間距的影響。幾何模型和計(jì)算簡(jiǎn)圖分別如圖1和圖2所示，S。表示柱翼緣上螺栓到梁翼緣的距離。
靜力加載過(guò)程采用荷載控制，循環(huán)荷載過(guò)程則采用位移控制。破壞準(zhǔn)則服從文獻(xiàn)[6]的要求，即當(dāng)出現(xiàn)以下情況時(shí)可判斷試件破壞：1)當(dāng)滯回曲線出現(xiàn)下降段時(shí)；2)后一級(jí)循環(huán)荷載的最大值小于前一級(jí)時(shí)。
螺栓采用10．9級(jí)M20摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓，材料為40Cr，屈服應(yīng)力為940 MPa，摩擦系數(shù)為0．41。梁柱以及角鋼和加勁肋的材料為Q235一B，屈服強(qiáng)度平均值取310 MPa。
2．2有限元模型的建立
本文采用ANsYS程序?qū)D1所示的節(jié)點(diǎn)建立了有限元計(jì)算模型，并進(jìn)行非線性有限元分析。假定鋼材和螺栓是理想的彈塑性材料，服從Von Mi—ses準(zhǔn)則，采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則(BKIN)。。。，考包辛格效應(yīng)。梁、柱、角鋼及螺栓采用solid 45單元來(lái)模擬。角鋼與梁、柱翼緣的接觸以及螺栓與角鋼、梁、柱翼緣的接觸采用Targe 170單元和Conta 174單元來(lái)模擬。螺栓的預(yù)拉力利用Prest 179單元模擬。在建立模型時(shí)，利用對(duì)稱性只建立1／2模型。劃分網(wǎng)格時(shí)，梁柱采用掃略劃分。由于劃分難度較大，在節(jié)點(diǎn)域采用自由劃分。M X．1的有限單元模型如圖3所示。根據(jù)力學(xué)計(jì)算簡(jiǎn)圖呻’，柱頂和柱腳位置設(shè)為鉸接節(jié)點(diǎn)，即在柱頂施加y，Z方向的約束，在柱腳位置施加x，y，z三個(gè)方向的約束。
3有限元分析
3．1與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比
本文中模型M X．1同試驗(yàn)尺寸一樣，當(dāng)在梁端施加集中力時(shí)，也就是施加81．6 kN·m的彎矩時(shí)，角鋼出現(xiàn)塑性鉸且變形較大(如圖4、圖5所示)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角為0．061 5 rad，初始剛度為7．48 MN·m／rad。而試驗(yàn)中的結(jié)論是在施加79．3 kN·m的彎矩時(shí)，角鋼出現(xiàn)過(guò)大變形，節(jié)點(diǎn)的最大轉(zhuǎn)角為0．061 4 rad，初始剛度是7．8 MN·m／rad。兩者相比較，彎矩相對(duì)差異為2．9％，轉(zhuǎn)角相對(duì)差異為0．16％，初始剛度相對(duì)差異為4．1％。說(shuō)明本文中所建立的模型具有足夠的精度。各個(gè)模型的分析結(jié)果詳見(jiàn)表2。
3．2 角鋼厚度的影響
本文中通過(guò)模型Mx．1、Mx．2和Mx．3來(lái)探討角鋼厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響，分別對(duì)3個(gè)模型施加循環(huán)荷載，得到它們的彎矩一轉(zhuǎn)角曲線如圖6所不。
由圖6以及表2所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，可以得出，在施加相同位移的條件下，16 mm厚角鋼比12 mm厚角鋼的彎矩值提高了39．7％，14 mm厚的角鋼比12 mm厚角鋼的彎矩值提高了23．8％，這說(shuō)明產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)角，在節(jié)點(diǎn)上所施加的彎矩值隨著角鋼厚度的增加而增大；并且從角鋼的應(yīng)力云圖(圖7)可以看出，角鋼厚度的增加延緩了塑性鉸的產(chǎn)生；由此說(shuō)明，角鋼厚度的增大，能使連接的承載力得到較大的提高。從表2還可以得到，16 mm厚角鋼的初始剛度比12 mm厚角鋼的初始剛度提高了21．4％，14 mm厚角鋼初始剛度比12 mm厚角鋼初始剛度提高了11．8％，可見(jiàn)連接的初始剛度隨著角鋼厚度的增加也有較大提高。以上所述表明，角鋼厚度的增加可以提高連接的承載力和初始剛度，而連接承載力和初始剛度的增大又在一定程度上使得連接的滯回性能得到提高；從圖6滯回曲線中可以看出，隨著角鋼厚度的增加，滯回曲線所包圍的面積增大，并且曲線趨于飽滿，這說(shuō)明節(jié)點(diǎn)的耗能力和抗震性能提高了。所以，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中要選擇合適的角鋼厚度，以保證連接的承載力和抗震性能。較大的角鋼厚度還可以減小螺栓由于受拉而引起的撬力。
3．3 螺栓間距的影響
圖8表示不同的螺栓間距下，模型在循環(huán)荷載作用下的表現(xiàn)，分別對(duì)應(yīng)于模型Mx．1，M X．6和M X．7。從圖8可以看出，在相同的循環(huán)荷載條件下，螺栓間距越小，滯回曲線越趨于飽滿，所包圍的面積也越大；這說(shuō)明，螺栓間距的減小在一定程度上可以提高連接的抗震性能。由表2可以得到，螺栓間距為70mm時(shí)的初始剛度和彎矩值比螺栓間距為90 mm時(shí)分別提高了23．6％和22．1％；螺栓間距為50 mm時(shí)的初始剛度和彎矩值比螺栓間距為70 mm時(shí)分別提高了19．5％和22．7％；可知：螺栓間距對(duì)節(jié)點(diǎn)的初始剛度和承載力有較大影響，主要表現(xiàn)為可以提高初始剛度和承載力；這進(jìn)一步說(shuō)明了，螺栓間距的減小可以提高節(jié)點(diǎn)的耗能能力和抗震性能。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，建議應(yīng)在滿足構(gòu)造要求的情況下盡量使螺栓間距較小。但是螺栓間距的減小又會(huì)使連接的延性降低‘…，所以螺栓間距的選擇要依據(jù)實(shí)際的情況選擇合適的距離。
3．4加勁肋厚度的影響
如圖9(分別對(duì)應(yīng)模型Mx．1，M X．4和Mx．5)所示，3種彎矩一轉(zhuǎn)角曲線的形狀變化很小，并且表2所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)變化也很小，可知：加勁肋厚度的變化對(duì)節(jié)點(diǎn)初始剛度和耗能性能影響很小。加勁肋所承擔(dān)的荷載主要是由柱翼緣和柱腹板傳遞來(lái)的，所以由節(jié)點(diǎn)連接件傳遞而來(lái)的力由柱翼緣、腹板和加勁肋共同承擔(dān)，一般情況下，加勁肋所受的力是很難達(dá)到其極限承載力的，所以加勁肋厚度的變化對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響較小。但是，如果沒(méi)有加勁肋，節(jié)點(diǎn)區(qū)柱翼緣和腹板就很容易產(chǎn)生較大的變形，使柱提前屈曲，從而導(dǎo)致構(gòu)件失效，所以加勁肋的設(shè)置與否會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)的性能起很重要的作用。在選擇加勁肋時(shí)，要根據(jù)構(gòu)件的受力情況確定，綜合考慮其與柱腹板和翼緣之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。
4結(jié)論與展望
4．1 結(jié) 論
1)這種連接的滯回曲線較飽滿，節(jié)點(diǎn)的最大轉(zhuǎn)角符合美國(guó)AISC—LRFD規(guī)范有關(guān)延性的規(guī)定，屬于半剛性節(jié)點(diǎn)的范疇。鋼結(jié)構(gòu)公司所有試件滯回曲線有明顯的捏縮現(xiàn)象，出現(xiàn)捏縮現(xiàn)象的原因是隨著荷載的增大，由于螺栓伸長(zhǎng)以及角鋼永久塑性變形，使得角鋼肢與節(jié)點(diǎn)受拉區(qū)柱翼緣表面出現(xiàn)了分離。
2)連接破壞形式均是在角鋼肢交接處形成塑性鉸而破壞，這是由于角鋼肢交接處應(yīng)力集中，首先進(jìn)入塑性，在循環(huán)荷載作用下，此處應(yīng)力集中進(jìn)一步加劇，最終形成塑性鉸而破壞。
3)角鋼厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力、初始剛度以及抗震性能影響較大，設(shè)計(jì)時(shí)宜在滿足要求的條件下選擇較厚的角鋼，以保證連接的承載力和抗震能力。
4)柱翼緣螺栓中一L,N梁翼緣距離的減小可以明顯地提高節(jié)點(diǎn)的初始剛度和承載力。
5)加勁肋厚度的變化對(duì)節(jié)點(diǎn)滯回性能影響較小。
4．2展 望
本文研究了角鋼厚度、螺栓間距以及加勁肋厚度對(duì)連接性能的影響，但影響節(jié)點(diǎn)性能的因素還有很多，本文并沒(méi)有考慮全面。以后的研究還要考慮其他影響因素，如：梁柱翼緣的厚度、腹板的高度以及螺栓孔的大小和螺栓的型號(hào)對(duì)其性能的影響。
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