角钢连接半刚性梁柱节点的受力性能分析

第19卷第4期

2003年12月长　沙　交　通　学　院　学　报JOURNAL OF CHAN GSHA COMMUNICATIONS UNIV ERSITY Vol.19No.4Dec.2003 文章编号:1000-9779(2003)04-0037-04

角钢连接半刚性梁柱节点的受力性能分析

杨伟军,田俊杰

(长沙理工大学,湖南长沙　410076)

摘　要:介绍了半刚性梁柱节点连接的受力性能,然后主要分析了半刚性梁柱节点连接的杠

杆力分布及大小,按塑性理论推导了计算公式。同时分析了杠杆力对节点受力性能的影响。

关键词:梁柱节点;半刚性;杠杆力;有限元

中图分类号:TU973 文献标识码:A Ξ

随着我国经济实力的提高及国家对发展钢结构的有利政策,高层钢结构建筑和多层轻型钢结构建筑在我国日益增多。梁、柱节点作为钢框架中的关键连接部分,起着传递构件之间的弯矩和剪力的作用,其连接性能直接影响着整个框架在荷载作用下的整体性能,也是钢框架设计中要注意的关键部位。实际的钢框架梁、柱连接应分为三类:刚性连接(具有较高的强度和刚度);铰接连接(具有很大的柔性);半刚性连接(刚度和强度介于铰接和刚接之间)。

图1　带腹板角钢的顶底角钢连接半刚性连接中带腹板角钢的顶底角钢连接(图1)具有较

高刚度,能够较好的传递梁、柱间的弯矩和剪力,并且由于施

工简易,施工效率高,是目前住宅钢结构建设中常用的一种节

点形式。由于这种连接的连接件为角钢和高强螺栓,设计时

应充分考虑杠杆力的影响以保证连接节点的受力性能。

关于杠杆力,由于其数值大小很难量化,加之作用位置难

以确定,因此在现有的带腹板角钢的顶底角钢连接性能的研

究中,大都忽略了它的存在;在设计中通常是简化受力计算或降低螺栓的承载力来考虑杠杆力的影响。我国的钢结构设计

规范(G BJ 17-88)采用的方法是降低螺栓的抗拉强度来考虑杠杆力的影响,美国的AISC 规范和欧洲规范则要求计算杠杆力,并把它作为螺栓的外力,不过在计算时简化了受力。本文首先采用有限元分析了几种情况杠杆力的作用位置和大小,然后通过理论分析给出了带腹板角钢的顶底角钢连接中杠杆力的计算公式及设计方法。

1　杠杆力分布情况的分析

本文采用有限元软件ANSYS ,对带腹板角钢的顶底角钢连接的节点进行了非线性有限元分析,分析时为了使角钢达到极限状态,在模型设计时采用角钢的强度相对梁、柱变形较大。

为了能够确定带腹板角钢的顶底角钢连接中杠杆力分布的位置和力的大小,在建立模型进行分析时采用了三种不同厚度的角钢建模。每种模型都考虑了材料的塑性(理想的弹塑性模型),采用塑性等向硬化模型。角钢与梁柱接触部位采用接触单元,接触面采用按规范[1]喷砂处理时的摩擦系数0.45;为了得到角钢的受力特征,网格化角钢时每1cm 划分为1个单元。在分析过程中由于考虑了几何非线性、材料非线性,采用了逐级缓慢加载进行叠代求解,分析时梁、柱采用板单元,螺栓采用实体单元,螺栓中加预应力。

Ξ收稿日期:2003-09-10

作者简介:杨伟军(1962—

),男,博士(后),长沙理工大学教授.

图2　角钢弯曲变形和杠杆力示意

带腹板角钢的顶底角钢连接中,螺栓的大小和角钢

肢的厚度直接影响角钢肢在螺栓的外伸部分沿自由边的

弯曲(图2),由此产生的用于平衡角钢肢螺栓内部部分

弯矩的杠杆力分布不均。杠杆力,特别是在角钢这种大

变形的连接中,其分布规律和大小是很难量化的,与外力

的大小、螺栓位置、接触区域等因素有关。为了用于指导

螺栓连接的设计,本文主要对杠杆力在角钢达到极限状

态时所处的位置进行了统计,其分布规律如图3所示。

统计发现杠杆力Q 主要分布在0.52l t ～0.66l t (l t

为从螺栓中心线到端板边缘的距离)范围内。且杠杆力

Q 随着角钢厚度的增加向趾端平移,同时杠杆力的峰值

也向角钢的趾端移动;在分级加载的过程中当荷载F 达

到约0.4P 0～0.5P

0(P 0为高强螺栓的预拉力)时杠杆力图3　角钢与柱连接肢杠杆力的分布

才开始出现,起初增加缓慢,当荷载F 达到约0.8P 0以上时杠杆力的增加加快。由图3可知,角钢在螺栓连接处接触变弱。

2　连接中的杠杆力

由以上分析可知,杠杆力分布在角钢肢的有限区域内,并非如欧洲规范(杠杆力模型如图4)中所述均匀的分布在角钢边缘处。杠杆力计算模型见图5。由模型可得杠杆力Q 的大小如下:

Q =∫q x l x d x/x (1)

由有限元结果分析得到,极限状态下x 在0.59l t 左右。

由有限元分析结果,在带腹板角钢的顶底角钢连接中杠杆力实际分布在角钢与柱连接肢的有限区域内(图6)。

在带腹板角钢的顶底角钢连接中,一般角钢的弯曲变形较大,在极限荷载作用下顶角钢的受力机构如图7所示[2]。极限情况时角钢与柱连接肢出现两个塑性铰H 1、H 2,此时的塑性弯矩为M p ,角钢与柱连接肢的螺栓外伸部分产生的杠杆力Q 以平衡塑性铰弯矩M p ,螺栓力P 与外力F 和杠杆力Q 平衡,即P =Q +F 。杠杆力的大小和板的厚度、螺栓直径、螺栓位置、材料性能等很多因素有关。欧洲钢协

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图4　

欧洲规范中杠杆力模型图5　杠杆力计算模型

图6　角钢与柱翼缘之间的杠杆力分布

规范取Q 为0.2F ～0.3F ,杠杆力计算模型如

图4所示在角钢的端部,其考虑杠杆效应的简

单计算公式如下[3]:

Q =M p /(nl t )

2)M p =bt 2p f y /4(3)

式中:n 为角钢肢上的单排螺栓数;b 为角钢在

梁宽方向的长度;f y 为角钢的屈服应力;其它

符号意义同前。

由有限元分析如图6所示的杠杆力的实际

图7　极限情况下的顶角钢机构分布,根据静力平衡可知,杠杆力的合力的作用

点到螺栓中心的距离x 取决于接触力的分布

情况,杠杆力的合力的函数表达式如下:

Q =M p /(nx )(4)由式(1)及有限元分析取x =0.59l t ,则每个螺

栓中的杠杆力的最大值为:

Q max =M p /(0.59nl t )(5)

极限情况下角钢与梁相连肢的受力F 最大值

(图7所示)由角钢的两个塑性铰间的容许剪力

控制,F 按下式取用[2]:

F =2M p /g

(6)其中g 为两塑性铰间的距离。

根据式(6),角钢极限连接的弯矩承载力及

对角钢连接的设计认为在进行螺栓设计时F

可按下式取用:

F =0.45f y bt p (7)

由此一个螺栓所受的合力为:P =F/n +Q max

(8) 腹板角钢、底角钢的杠杆力受力机理与顶角钢基本相同,设计时螺栓的布置应满足构造要求,可参考文献[4]表5.2。在设计时应尽量使连接的破坏是一种延性破坏,即不发生螺栓杆被拉断或角钢被剪坏的脆性破坏。

3　算　例

某角钢连接的梁、柱节点设计采用的∠90×10的高强螺栓连接,钢材为Q235,采用的角钢长度与梁、柱翼缘宽度相等为250mm ,假定在节点连接的各项受力指标均满足要求,在极限状态下能够延性

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