钢结构箱形柱与工字梁刚性节点有限元分析_刘洪波

Abstract: Finite elem ent analyses of the rigid connections w ith box columns and I section beam s were per2 form ed using the ANSYS computer p rogram. In unbraced steel frames, resistance to lateral loads requires the transfer of bending moments between beam s and colum ns. The transfer causes shear deformation in the panel zones and clapboards. The clapboards shear behavior has a significant effect on panel zones. According to the finite elem ent and theory analysis of m any connections, stiffness and strength formulas of clapboards were in2 duced. The influence breadth of beam on failure modes of clapboards was analyzed. Results show that tensile region or comp ressive region of clapboards w ill yield at first if beam flange is narrow, while shear region of clapboards w ill yield at first if beam flange is w ide. Key words: box colum ns; panel zone; finite elem ent; shear deform ation
通过对有限元结果分析 ,归纳得下两式 ,有限
元结果与公式结果比较见图 8
当柱截面高度 d c < 017时
<cone
0158
=3 dc
+ 4 tw
- 8 tcon ( 01035
tcon
-
0105dc ) .
式中 : tcon为隔板厚 ; tw为柱腹板厚度 , 2倍箱形柱
板厚.
当柱截面高度 d c ≥017时
的刚度影响系数.
同理节点域的刚度方程为
Kpze = <pze dc tw G. 式中 : tw为柱腹板厚度 , 2倍箱形柱板厚.
为了确定参数 < 和 cone < pze ,选表 1的构件进
行分 析 计 算. E = 2 ×1011 N /m2 , Fy = 2135 ×
108 N /m2 ,加劲肋与翼缘等厚.
图 6 隔板上的剪应力分布
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第 8期
刘洪波 ,等 :钢结构箱形柱与工字梁刚性节点有限元分析
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12～20
10
16
柱 BCHB5
梁
□400 ×400 HN600 ×200
12～20
11
17
柱 BCHB6
梁
□500 ×500 HN500 ×200
14～24
10
16
柱 BCHB7
梁
□500 ×500 HN600 ×200
14～26
11
17
柱 BCHB8
梁
□500 ×500 HN700 ×300
14～26
14
24
柱 □600 ×600
BCHB8
梁 HN700 ×300
14
注 :箱形柱截面各方向板厚相同.
16～30 24
图 8 有限元结果与公式结果的比较
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<cone = 03158.
dc
通过有限元结果可以看出 ,当其他参数相同 ,随
着箱型柱截面尺寸的增高 , < cone逐渐减小 ,随着箱型 柱腹板厚度的增加 , < cone逐渐增大. 这是由于在加劲
肋刚度的推导过程中假定加劲肋的边界为刚性杆连
接. 而实际柱腹板对加劲肋的约束达不到刚性 ,而且 当箱型柱腹板厚度一定 ,随着柱高的增加 ,这种约束 越来越弱. 所以随着箱型柱截面的增高 , < cone逐渐减 小. 另一方面 ,当柱截面高度一定 ,随着柱腹板厚度 的增加 ,对加劲肋的约束也增强 , < cone就会增大. 由 图 9可以看出近似取 <pze = 0195是可以的 ,这与王越 和石选民的实验是一致的.
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哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 39卷
F in ite elem en t ana lyses of the r ig id connection s w ith steel box column s and I section beam s
L IU Hong2bo1, 2 , X IE L i2li1 , SHAO Yong2song1
(1. 哈尔滨工业大学 土木工程学院 , 哈尔滨 150001; E - mail: interdage@163. com; 2. 黑龙江大学 建筑工程学院 , 哈尔滨 150080)
摘 要 : 通过利用 ANSYS对钢结构箱形柱与工字梁刚性节点进行有限元分析 ,研究钢框架结构在水平荷载 的作用下 ,箱形柱与工字梁节点域的受力性能和隔板对节点刚度和强度的影响. 根据对节点的有限元和理论 分析 ,归纳出考虑隔板刚度和强度的节点变形公式 ,并且分析了梁截面宽度对隔板破坏模式的影响. 研究结 果表明 :当梁翼缘较窄时 ,隔板的受拉区或受压区首先屈服 ;当梁翼缘较宽时 ,隔板首先受剪屈服. 关键词 : 箱形柱 ;节点域 ;有限元 ;剪切变形 中图分类号 : TU39312 文献标识码 : A 文章编号 : 0367 - 6234 (2007) 08 - 1211 - 05
2 箱形柱节点域
在钢框架结构中的梁翼缘连接处 ,在箱形柱 中要设置隔板. 在国内采用箱形柱的情况也比较 多. 1991年王越和石选民对箱形柱和工字型梁组 成的节点域进行试验研究 ,发现箱形柱和工字型 梁组成的节点域不能简单套用 H 型钢柱节点域 公式. 箱形柱和工字型梁组成的节点域两片腹板 剪应力分布不均匀. 虽然箱形柱腹板相对 H 型钢
表 1 节点域参数
编号
型号
腹板厚 mm
翼缘厚 mm
柱 BCHB1
梁
□400 ×400 HN350 ×150
12～20
20
22
柱 BCHB2
梁
□400 ×400 HN400 ×200
12～20
8
13
柱 BCHB3
梁
□400 ×400 HN450 ×200
12～20
9
14
柱来自百度文库BCHB4
梁
□400 ×400 HN500 ×200
收稿日期 : 2005 - 11 - 02. 基金项目 : 国家自然科学基金重点资助项目 (50538050). 作者简介 : 刘洪波 (1976—) ,男 ,博士后 ;
谢礼立 (1938—) ,男 ,教授 ,中国工程院院士.
梁与箱形柱连接的节点域研究很少. 本文采用 ANSYS软件 ,对工字梁与箱形柱连接的节点域的 性能进行了有限元分析.
节点域起着传递梁柱之间力和弯矩的作用 , 这样就使得节点域的应力状态非常复杂. 在翼缘 上正应力非常大 ,在腹板上剪应力非常大. 在这些 复杂力的作用下 ,节点域有可能产生 ,轴向变形 、 剪切变形和弯曲变形. 已经有很多学者对节点域 的受力和变形性能进行了研究 ,研究发现节点域 以剪切变形为主 [ 1 - 4 ]. 国内外学者针对工字梁与 H型钢柱翼缘连接的节点域研究较多 ,而对工字
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哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 39卷
图 9 节点域刚度系数
4 节点域的强度分析
文献 [ 7 ]通过试验发现箱形柱工字梁节点两 侧板域内最大剪应力分布呈明显的不均匀性 ,并 确定不均匀系数 K = 0185. 由此确定 ,节点域的屈 服强度为
Vpzy = 0185 ×0155dc tw Fy = 0148dc tw Fy. 另外试验证明 Krawinkler模型仍适用. 两侧板 域内最大剪应力分布的不均匀不会对极限承载力产 生影响. 故参照 A ISC规范确定极限承载力为
1 有限元结果的试验验证
1971年 Kraw inkler为了研究节点域的性能进 行了一系 列 试 验 , 其 中 Specimen A 采 用 ASTM A36钢 ,柱截面 W 8 ×24,梁截面 W 10 ×15,整体 模型见图 1.
有限元模型见图 2,采用 Shell181单元 ,该单 元能够考虑材料非线性 、几何非线性和初应力的 影响. Shell181 属于“厚 ”壳单元 ,包含弯曲 、薄膜
和横向剪切效应 ,符合 Reissner/M indlin 理论. 扇 形切角部分网格划分采用三角形单元 ,其余部分 采用矩形单元. 有限元所得的结果与试验结果进 行比较见图 3,通过比较可以看出有限元模型在 屈服点和极限强度方面的模拟结果都比较准确 , 但在最后的塑性刚度比试验结果偏低. 可能是有 限元试验构件的本构关系的差异造成的.
V c2分别为上下柱的剪力 ; d b为梁截面高度.
3 节点域的刚度分析
假定在梁和柱腹板之间剪力为 V /2, 假定在 梁宽范围内剪力值为 V /4. 根据假定推出隔板的 剪切变形的等效刚度
Kcone
= 4<cone
db
dc
tcon
G .
2bc - bb
式中 : b c为柱宽 ; b b为梁宽 ; d c为柱截面高度 ; tcon 为隔板厚 ; G为剪切模量 ; < cone为隔板周边约束
第 39卷 第 8期 2 0 0 7年 8月
哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报
Vol139 No18
JOURNAL OF HARB IN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
Aug. 2007
钢结构箱形柱与工字梁刚性节点有限元分析
刘洪波 1, 2 ,谢礼立 1 ,邵永松 1
(1. School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; E2mail: interdage@163. com; 2. School of Civil Engineering and A rchitecture, Heilongjiang University, Harbin 150080, China)
应力较大 ,分布在梁宽范围内剪应力较小. 于是假 定剪应变和剪应力在这两部分分别均匀分布. 隔 板周围由刚性连杆连接而成 ,模型如图 7所示.
图 7 隔板模型
节点域剪力为
V = M b1 + M b2 - Vc1 + Vc2 .
db
2
式中 : M b1 , M b2分别为节点域两边的梁弯矩 ; Vc1 ,
柱腹板较厚 ,但是节点域剪切变形对结构的整体 变形有很大影响 [ 6, 7 ] . 箱形柱节点域的有限元分 析整体模型和加载方式见图 4,节点域的变形和 剪应力分布见图 5.
由图 5可以看出 ,节点域以剪切变形为主. 右 侧梁上翼缘与柱翼缘的连接处 ,柱翼缘在梁上翼 缘拉力的作用下向外凸 ;右侧梁下翼缘与柱翼缘 的连接处 ,柱翼缘在梁下翼缘压力的作用下向里 凹. 对于箱形柱和工字型梁组成的节点域 ,梁上的 弯矩是由隔板传到柱腹板的 ,柱腹板有两块 ,且较 厚 ,这样节点域剪切刚度很大 ,从而在隔板上产生 较大的剪切变形. 如果隔板较薄 ,那么就有可能在 隔板上发生剪切破坏. 隔板上的剪应力分布见 图 6. 从图上可以看出 ,分布在梁和柱腹板之间剪