有限元法——数值模拟

钢框架梁柱十字形节点抗震性能

数值模拟与理论分析

摘要：梁柱节点在钢框架结构中扮演着举足轻重的角色，因此研究钢框架节点的抗震性能具有重要的意义。本文通过ABAQUS有限元分析软件对钢结构梁柱十字形节点进行了建模分析，考查了全焊接连接节点在地震波作用下的受力性能。研究表明：全焊接连接节点具有较好的抗震性能。

关键词：钢框架结构；剪切变形；节点域模型；有限元；非线性分析

NUMERICAL AND THEORETICAL ANAL YSIS ON SEISMICPERFORMANCE

OF THE CROSS-TYPE JOINT OF STEEL STRUCTURE

Abstract:The beam-column connections in steel frame structures play an important role. Therefore, studying the seismic performance of the connection in steel frame has a great significance. In order to investigate the seismic performance of the connection in steel frame, this paper presents the cross-type model using the software “ABAQUS”. The results show that the weld connection has a good performance in seismic behavior.

Keywords: Steel Frame Structure; Shear Deformation; Panel Zone Model; Finite Element Method; Nonlinear Analysis

0 前言

有限单元法（或称有限元法）是在当今工程分析中获得最广泛应用的数值分析计算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。伴随着计算机科学和技术的快速发展，现已成为计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）的重要组成部分[1]。有限单元法的基本原理是把一个有无限个质点构成并且有无限个自由度的连续体划分为有限个小单元体组成的集合体，此过程称为有限元模型的离散化。用这种离散化的有限单元模型代替原有物体，根据其几何材料特性及受力条件而采用不同的单元种类，单元间有节点相连，力则通过结点传递。

梁柱连接在钢框架结构中扮演着举足轻重的角色，很久以来，人们认为梁柱刚性连接具有很好的韧性，在地震作用下可以充分的发展塑性变形，吸收地震能量，保持结构稳定。然而，在 1994 年美国 Northridge 地震和 1995 年日本 Kobe地震中，发生了大量钢框架梁柱节点的脆性破坏。这个现象引发了国内外的大量对梁柱连接的试验研究和数值模拟研究。Tsai[2]等分析了板域变形对弹性层间位移的影响，提出了板域变形引起的弹性层间位移简单近似估算方法。Schneider 等[3]在研究节点域变形对抗弯钢框架性能的影响时，每个梁柱节点处用两个双线性弹簧模拟板域变形，表明不考虑节点域变形的分析低估了抗弯框架的弹性位移，而高估了底部抗剪承载力，同时会低估梁柱节点的转动延性。黄炳生等[4]基于Schneider 的方法把节点域处理为杆端刚域和转动弹簧单元，并在转动弹簧单元的强度和刚度中考虑柱翼缘的贡献。

钢框架结构节点的有限元模拟既可以为解释钢框架梁柱节点破坏现象提供依据，而且可以为建筑结构抗震设计提供工具。本文利用ABAQUS软件对钢框架梁柱十字形节点进行了建模，通过分析的结果对节点的抗震性能进行了研究。

1 梁柱节点形式

钢框架梁柱的连接，按梁对柱的约束刚度可分为三类：铰接连接、半刚性连接和刚性连接。前两种连接形式在实际中多用于一些比较次要的连接上，对于高层建筑钢结构的主要连接，大多采用刚性连接。对于梁柱刚性连接形式，美国通常采用柱贯通型，而在日本，常见的连接形式为在梁翼缘平面内焊接横隔板以保持梁翼缘的连续性，并将柱分割成段，各柱段端部与横隔板焊接[5]。

美国及我国广泛采用的梁柱刚性连接可分为三类[6]：

①栓焊连接，参见图 1.1(a)。通常有两种做法，一种是梁翼缘与柱的连接采用融透的坡口焊缝连接，梁腹板与柱翼缘上的角钢的连接采用高强度螺栓连接，另一种是梁上下翼缘用融透的坡口焊缝，梁腹板与柱翼缘上的剪切板采用高强度螺栓连接。

②全焊连接，参见图 1.1(b)。梁上下翼缘用融透的坡口焊缝，腹板采用双面角焊缝。

这种连接对焊接工艺要求较高，否则会出现局部严重的应力集中，出现三向应力状态，影响结构的受力性能。

③ T 型钢连接件节点，参见图 1.1(c)。通过 T 型钢将柱翼缘和梁翼缘用高强螺栓连接，这种连接中不会出现严重的残余应力和三向应力，有学者将这种连接构造作为大刚度的半刚性连接。

图1.1 梁柱节点刚性连接形式

Fig. Types of rigid beam-to-column connections

在以上的三种连接方式中，全部采用焊缝不会存在滑移问题，从理论上来说，良好的焊接构造和焊接质量可提供足够的延性，但在实际施工过程中存在一定困难，而且要求对焊缝进行比较严格的探伤检查，此外，焊接残余应力和残余变形也给实际结构带来不利影响；高强螺栓连接施工较方便，但存在接头尺寸过大、钢材消耗较多、螺栓价格昂贵等问题；栓焊混合连接，工地安装时，先用螺栓定位然后对翼缘施焊，具有施工上的优点，因而应用最为普遍。为了进行全焊接连接节点的性能研究，本文以全焊连接节点为研究对象。

2 节点计算模型

2.1 节点简况

梁端加宽-翼缘削弱型节点具体尺寸和构造见图2.1.1、图2.1.2、图2.1.3和表1。

图2.1.1 全节点尺寸图

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图2.1.2 梁剖面图详图

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图2.1.3 柱剖面图详图