钢梁柱节点弱轴连接弯矩-转角性能试验研究

钢梁柱节点弱轴连接弯矩-转角性能试验研究

节点连接分析半刚性连接具有良好的变形能力，可调整结构中曲线的分布，使结构更经济、更合理。近十年来有关钢框架半刚性连接的研究很多,但基本上限于梁柱的强轴连接,对弱轴连接的研究相对较少。连接是钢框架的重要组成部分,其性能影响结构的整体性能,因此钢结构分析应当考虑连接的非线性,对于空间框架结构来说,则必须考虑梁柱节点弱轴连接的弯矩-转角特性。目前一些国家的规范对半刚性连接的设计有了规定,但针对各类弱轴连接的具体计算尚不明确。有限单元法早已用于结构性能研究,国内外许多研究者利用大型有限元程序对多种类型的连接进行了分析,取得了很好的效果。为进一步研究弱轴半刚性连接的性能,本文对钢梁柱半刚性节点顶底角钢弱轴连接进行了三维非线性有限元分析,分析的重点是此类连接的承载能力、受力机理、变形特点、破坏模式和接触状态的稳定性。1试件与试件的材料和方案为与试验结果相对比,本文的有限元分析以试验试件为基本模型。试件的尺寸见图1,弱轴梁通过顶底角钢和高强度螺栓与柱腹板相连,弱轴梁与柱腹板之间的间隙为15mm。试件采用国产H型钢,钢材为Q235B型,柱选用HW300×300×10×15截面,弱轴连接梁选用HN300×150×5.5×8截面。柱的高度取为1900mm。柱弱轴方向的梁全长1400mm,其悬臂端加载点至柱腹板中心1300mm。顶底角钢选用等边角钢L125×12,宽度和连接梁宽度相同。螺栓选用10.9S级M20高强度螺栓,螺栓孔直径22mm。2顶底角钢弱轴连接单向加载试验方案试验主要包括3个钢梁柱顶底角钢弱轴连接单向加载试验(试件分别编号BDRB-1、BDRB-2、BDRB-3,试验装置见图2)和相应的钢板材性试验、摩擦型高强度螺栓摩擦面连接抗滑移系数试验。顶底角钢弱轴连接单向加载试验开始之前将梁柱构件连接,并对高强度螺栓施加预拉力,预拉力大小按照GB50017—2003《钢结构设计规范》的规定施加,大小为155kN;将柱构件竖立,柱端模拟铰接,柱顶由刚度很大的刚架提供侧向力,并利用千斤顶对柱施加轴向力;梁悬臂端用千斤顶施加集中荷载,梁翼缘与千斤顶之间使用刀口支座。试验时首先用千斤顶在柱顶施加300kN轴向力,随后在梁悬臂端用千斤顶施加单向集中荷载。顶底角钢弱轴连接单向加载试验的部分试验结果见表1~表3,更多的分析结果见文献。3模型的材料和参数本文分析利用非线性功能强大、接触分析方便的大型有限元程序ANSYSV10.0。梁柱和角钢、螺栓采用了三维实体单元SOLID45,焊缝采用了三维实体单元SOLID95,摩擦单元包括CONTA174和对应的TARGE170单元,螺栓张拉力的施加通过预张拉单元PRETS179实现。本文分析中所采用的实体单元均有几何和材料非线性能力。所研究的模型中,梁柱和角钢的材料是国产Q235钢材,螺栓为40Cr合金钢,所有材料为均质的各向同性材料。分析中对梁柱和角钢等钢材采用了多线性各向同性强化模型,对螺栓和焊缝材料采用了双线性各向同性强化模型,并采用Mises屈服准则和相关联的流动法则。本构模型的参数、接触面摩擦系数采用试验值,螺栓预拉力大小、柱轴向力大小以及荷载施加顺序和方式均与试验相同。有限元模型和试验试件都在梁端集中力加载点设置了梁腹板竖向加劲肋,加劲肋减小了集中力施加位置相关受力单元的变形,使单元形状不发生大的畸变。本文在单元划分时,在关键部位和形状不规则的部位,比如应力梯度大的部位、螺栓、角钢等关键组件,网格尺寸划分得比较小,使这些部位的单元形状好,网格精细,不规则处过渡自然。分析时利用了对称性,沿梁腹板中面取模型的1/2分析。图3~图5是试件有限元模型的网格划分情况。4连接的弯矩-转角曲线分析利用ANSYS软件建立有限元模型并求解,分析了顶底角钢弱轴腹板连接试验试件在单调荷载下的抗弯性能,得到了连接的弯矩-转角曲线和应力分布、连接组件变形等数据,并与试验结果作了对比。首先对比有限元分析和3个基本试件试验得到的弯矩-转角曲线,如图6所示,有限元分析得到的弯矩-转角曲线基本上和试验曲线吻合较好,说明有限元分析结果和试验结果比较符合。有限元分析结果与试验结果相比,有限元分析得到的连接初始刚度略小于试验值,进入塑性强化阶段后,连接塑性极限强度和应变强化刚度与试验非常接近。从连接的弯矩-转角曲线可以看出:(1)梁端弯矩较小时曲线就体现出非线性的性质,顶底角钢弱轴连接属于典型的半刚性连接。(2)顶底角钢弱轴连接具备一定的弯矩承载能力,连接在进入塑性阶段后承载力稳定增加,有较长的强化段。连接的承载力可以超过所连接梁承载力的30%。(3)连接在加载期间性能稳定,仅在加载后期出现了承载力波动的现象,主要是因为加载后期连接组件产生了突然的相对滑动。(4)顶底角弱轴钢连接的塑性刚度较低,但变形能力很好。连接在加载后期的转动变形可以达到0.1rad。4.1电压、电压和电压分析4.1.1misen应力云图Mises应力可以反映主应力的大小,帮助判断材料的应力状态。图7是基本试件角钢的应力向量,应力集中在角钢趾和螺栓边缘。图8是在梁端作用30kN集中力时的连接受拉区域Mises应力云图(为清晰起见,未显示螺栓应力)。该集中力作用下连接所传递的梁端弯矩约为39kN·m,超过了该试件极限抗弯承载力的理论值,节点区域多个组件进入屈服强化阶段。Mises应力云图显示,屈服应力集中于节点区域,梁柱构件在节点以外的部分基本处于弹性阶段。连接的各组件中,除螺栓外应力最大、最集中的是节点受拉区域角钢和与角钢竖肢连接的板件———柱腹板,而受压角钢受力相对均匀。柱腹板有应力集中现象,造成柱腹板局部屈服。横向加劲肋靠近受拉角钢一侧的焊缝应力集中明显,另一侧的焊缝受力相对和缓(图9)。4.1.2角钢与梁翼缘的连接有限元分析显示的试件变形情形和试验结果一致。图10对比了试验和有限元分析的受拉角钢变形(有限元模型取角钢的1/2),有限元分析真实模拟了试件的变形情况。整个试件的变形主要源于受拉角钢变形和柱腹板平面外变形,受拉角钢的变形最大,受压角钢与梁翼缘连接的角钢肢略有变形,其他部位变形较小,梁和柱基本上在弹性变形范围。如果受拉角钢连接的柱腹板比较薄弱,则该板件对连接初始刚度的影响是不可忽略的。图11显示的是柱腹板厚度为9mm时角钢和柱腹板的变形(未显示连接螺栓),腹板代替角钢成为连接最薄弱的组件。可见,对腹板角钢弱轴连接来说,如果柱腹板过于薄弱,柱腹板可能失稳,产生过大的平面外变形,致使腹板成为连接强度和变形模式的控制因素,这是腹板弱轴连接与强轴连接不同之处。连接在梁悬臂端集中力作用下的变形是围绕底角钢上的一点转动的。有限元分析提供了很好的手段确定连接的转动中心。图12显示底角钢连接处角钢和梁的变形,图13显示构件的位移向量和以底角钢水平肢螺栓固定处为圆心,这就说明底角钢水平肢螺栓固定处为弱轴梁和顶角钢的转动中心。4.1.3螺栓边缘分析试件的塑性应变主要集中于受拉角钢,柱腹板在螺栓固定处也有塑性发展,受压角钢上应力均匀,塑性发展非常有限。分析显示,受拉角钢可能形成3个塑性铰,分别位于受拉角钢的角钢趾两个倒角边缘以及角钢竖肢上(连接柱腹板)的螺栓边缘。图14显示了顶角钢发生较大变形后Mises塑性应力和Mises塑性应变的分布情况。可以看出,顶角钢上随着塑性的发展可能形成3个塑性铰机构。通过ANSYS的时间-历程处理器可以得到这3个塑性铰形成部位节点的Mises塑性应变发展历程,根据塑性铰线上Mises塑性应变的发展历程分析,受拉角钢水平肢上角钢趾倒角边缘较先进入塑性,其次是角钢竖肢螺栓固定部位,而角钢竖肢上自螺栓固定处到角钢趾处变形自由,应力比较和缓,最后进入塑性。最大的塑性变形出现在螺栓孔边缘,是在荷载达到一定值后螺栓杆接触并挤压螺栓孔产生的。需要指出的是,角钢上应力的分布在加载历程中是不断变化的,而且受连接形式和各组件的大小、接触摩擦的变化等因素的影响。4.2螺栓接触滑移顶底角钢弱轴连接的非线性一部分源于试件的接触非线性。受拉角钢从开始受力起角钢趾就逐渐被拉离连接板件,该角钢肢与连接板件之间的摩擦面积迅速减小,该角钢肢会逐步产生滑移。当螺栓杆与螺栓孔接触后,螺栓的滑移被阻止,螺栓杆开始挤压螺栓孔。由于螺栓杆强度比角钢高得多,螺栓孔会被挤压变形。由于受拉角钢变形很大,接触状态改变明显,荷载施加过程中会造成螺栓的突然滑移。在有限元程序求解过程中,接触滑移可能导致收敛困难,必须减小每一荷载子步的荷载值,使加载更为和缓。有限元软件不易模拟这种连接板件之间的突然错动,这和实际试验情况不同。图15显示了有限元分析的连接顶角钢与柱腹板螺栓一个节点的接触滑动历史。图16显示了试件试验连接顶角钢与梁翼缘的螺栓荷载-位移曲线,试验曲线反映出,在梁端荷载达到33.1kN之后的一个加载步中,螺栓的位移值突然加大(由0.292mm增加到1.290mm,由于按照位移控制加载,加载步比较大,没有测到荷载的下降)。螺栓的突然滑移会造成连接刚度的突然降低,变形加大,影响连接的效果。但是受拉角钢接触状态突然改变的现象只发生在加载后期,梁柱之间的相对转角已很大了,正常使用荷载下不会出现,因此连接设计时不用考虑。除了受拉角钢与柱腹板连接螺栓以外的其他螺栓滑移量要小得多,那些螺栓连接的板件接触状态比较稳定。5节点结构及顶角钢结构设计本文利用有限元软件分析了梁柱顶底角钢弱轴连接的性能。为与试验结果作对比,有限元模型与试验试件相同。有限元计算结果与试验结果吻合程度较好。对有限元计算结果的分析得到以下几点主要结论:(1)顶底角钢弱轴连接属于典型的半刚性连接。连接具备一定的弯矩承载能力,其塑性刚度较低,但变形能力很好。(2)在梁端集中荷载作用下,节点受拉区域的角钢、螺栓以及柱腹板受力集中,变形明显,是梁柱产生相对转动变形的主要组件。节点组件的变形以底角钢水平肢螺栓固定处为转动中心。(3)与强轴连接不同,对于腹板角钢弱轴连接,在柱腹板过于薄弱时连接的变形模式会改变,柱腹板可能成为连接强度和变形模式的控制组件,不利于