半剛性端板連接的有限元模擬

沈乾　馬軍

東南大學(xué)土木學(xué)院　江蘇南京210096

    傳統(tǒng)的鋼框架結(jié)構(gòu)分析都假定梁柱節(jié)點是完全剮接或理想鉸接的，雖然完全剛接和理想鉸接的情況可使分析過程大大簡化．但由此帶來的在分析設(shè)計過程中的精確度也值得探討，文獻【l】、【2】、【3】都指出，在通常情況下，梁柱焊接節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度在6x10skNm/tad左右。而螺栓連接等情況下的節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度在(2—10)x104kN．m/tad之間約是焊接節(jié)點的l/6—1/30,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達不到剛接的要求，因此在實際研究中，其力學(xué)分析模型應(yīng)該是介于兩者之間的一種半剛性連接方式。

    其中，端板連接是一種極其重要的半剛性連接方式。端板連接又有外伸端板連接和平齊端板連接等形式。鋼結(jié)構(gòu)中的端板連接經(jīng)常是一種抗彎連接，端板連接處高強螺栓承受組合軸向力和剪力，節(jié)點壓力分布和螺栓內(nèi)力分布狀態(tài)取決于連接的構(gòu)造，材性，所受載荷等，因而節(jié)點受力狀態(tài)復(fù)雜，精確計算很困難。

    在本文中，用有限元模擬的方法對端板連接進行簡單研究，對在端板連接設(shè)計中涉及的一些重要因素，如加勁肋的設(shè)置，端板厚度，螺栓孔到粱腹板距離等，進行逐個研究，考慮這些因素變化時對節(jié)點性能的影響，得出一些簡單的結(jié)論，從而為端板連接設(shè)計提供一些簡單參考依據(jù)。

1、材料的本構(gòu)關(guān)系和有限元模型的建立

    l.l 材料的本構(gòu)關(guān)系

    在本文中，粱柱和端板的鋼材采用Q235鋼，螺栓采用8．8級高強螺栓，粱柱、端板和螺栓的鋼材都采用線彈性一線性強化應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的三線性模型。圖l為梁柱和端板所用鋼材的應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖2為高強螺栓的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。

    1.2有限元模型的建立

    本文研究的模型在單元選取方面采用了solidl85單元，該單元為3維8節(jié)點單元，每個節(jié)點有三個方向(ux。uy，uz)的自由度。solidl85單元具有超彈性、塑性、蠕變、大撓度、大應(yīng)變和應(yīng)力剛度等特性。

    在單元劃分時，在螺栓孔周圍、螺栓和螺母處進行局部同格細(xì)化。對粱腹板、翼緣采用映射同格加尺寸控制，對端板、螺栓、柱翼緣采用自由網(wǎng)格加尺寸控制。

    在本文中，接觸的模擬很關(guān)鍵。模型中考慮了端板和柱翼緣、栓桿和栓孔之間的接觸，而且考慮初始侵人。所有接觸采用TARGEl70單元和CONTAl74單元來模擬面面接觸，以考慮這些接觸面之間的摩擦。TARGEl70單元是三維三節(jié)點目標(biāo)單元。和相關(guān)接觸單元聯(lián)用，來模擬面面接觸。TARGEl70單元可以覆蓋在剛體或變形體表面,通過共享實常數(shù)號和相關(guān)接觸表面配對。CONTAl74單元是一種三維八節(jié)點高級四邊形面面接觸單元，每個節(jié)點有3個平動自由度。

2、有限元分析的結(jié)果研究

    在分析中，分別從端板位移和螺栓應(yīng)力兩個方面來考慮各個因素對端板連接半剛性節(jié)點的影響。端板位移從如下考慮：在端板上依次等間隔取4個點，通過改變各個影響因索，得到各點的位移情況。螺栓應(yīng)力從如下考慮：研究受拉區(qū)螺栓的受力情況，分別考慮翼緣外側(cè)和內(nèi)側(cè)兩捧螺栓的受力。

    分別從加勁肋的設(shè)置，端板厚度。螺栓孔到粱腹板距離這幾個因素來考慮。

    2.1加勁肋的影響

    各點位移隨加勁肋厚度變化的變化曲線，螺栓應(yīng)力隨加勁肋厚度變化的變化曲線。各點的位移隨著加勁肋厚度的增大而減�。�以第4點為例．當(dāng)不設(shè)置加勁肋時，節(jié)點位移為0.11mm,當(dāng)加勁肋厚度為l0mm時，節(jié)點位移為0.102mm，當(dāng)加勁肋厚度為20mm時，節(jié)點位移為0.093mm所以說，加勁肋的設(shè)置使端板的變形有所減小，使端板的抗彎剛度有所提高。對于翼緣外側(cè)螺栓，隨著加勁肋厚度的增加，其受力也逐漸增加，在不設(shè)置加勁肋時，螺栓應(yīng)力為31.02MPa,當(dāng)加勁肋厚度增加到20mm時，螺栓應(yīng)力為34.03MPa4對于翼緣內(nèi)側(cè)螺栓。隨著加勁肋厚度的增加，其受力逐漸減小，在不設(shè)置加勁肋時，螺栓應(yīng)力為35.76MPa,當(dāng)加勁肋厚度增加到20mm時，螺栓應(yīng)力為27.69MPa。所以說．加勁肋的設(shè)置降低了粱翼緣內(nèi)側(cè)螺栓的應(yīng)力，而且在一定程度上改善了節(jié)點的應(yīng)力分布。節(jié)點受拉區(qū)的拉力由內(nèi)外兩側(cè)螺栓分擔(dān)，改善了節(jié)點的受力性能．綜上，設(shè)置加勁肋使端板的抗彎剮度有所提高，節(jié)點的初始剮度也有所增大，提高了節(jié)點的極限承載力。

    2.2端板厚度的影響

    各點位移隨端板厚度變化的變化曲線，螺栓應(yīng)力隨端板厚度變化的變化曲線。

    各節(jié)點的位移隨著端板厚度的增加而減�。�以第4點為例，端板厚度依次為lOmm、15rmm、20mm、25mm時，相應(yīng)的節(jié)點位移依次為0.13mm、0.122mm、0.112mm、0.1mm，呈遞減趨勢所以說，節(jié)點的剛度隨著端板厚度的增加而增加，厚度越大，節(jié)點變形也越小，端板厚度增加，節(jié)點的初始剛度和抗彎極限承載力也隨之增加，端板厚度不大時，增加其厚度可有效地減小節(jié)點的變形，但當(dāng)端板厚度增加到一定數(shù)值時。節(jié)點位移的減小不明顯，由圖8知．對于翼緣外側(cè)螺栓。隨著端板厚度的增加，螺栓應(yīng)力也隨之增加，當(dāng)端板厚度依次為l0mm、15mm、20mm、25mm時，外側(cè)螺栓的應(yīng)力依次為32.06MPa、32.56MPa、3471MPa、38A2MPa，呈遞增趨勢，對于翼緣內(nèi)側(cè)螺栓．隨著端板厚度的增加．螺栓應(yīng)力隨之減小，當(dāng)端板厚度依次為l0mm、15mm、20mm、25mm時，翼緣內(nèi)側(cè)螺栓的應(yīng)力依次為51.15 MPa、47.01MPa、42.56MPa、36.OlMPa呈遞減趨勢，所以說，端板厚度的增加可使外側(cè)螺栓拉應(yīng)力有所增加，同時降低梁翼緣內(nèi)側(cè)螺栓的拉應(yīng)力，相應(yīng)地，這樣就使內(nèi)外側(cè)螺栓受力趨于均勻．對節(jié)點受力來講是有利的，綜上，端板厚度的增加使節(jié)點的初始剛度有所增加�？墒构�(jié)點的受力趨近合理。

    2.3螺栓孔到粱腹板距離的影響

    各點位移隨螺栓孔到粱腹板距離變化的變化曲線，螺栓應(yīng)力隨螺栓孔到梁腹板距離變化的變化曲線。

    各點的位移隨著螺栓到粱腹板距離的增加而增加，以第4點為例，當(dāng)螺栓到粱腹板的距離依次為25tmm和35mm時，節(jié)點的位移依次為0．077 mm和0．O8 mm．呈增加趨勢，所以說。螺栓距梁腹板的距離不宜過大，否則會使節(jié)點剛度降低，對于翼緣外側(cè)螺栓，隨著螺栓到梁腹板距離的增加，螺栓應(yīng)力減小，對于翼緣內(nèi)側(cè)螺栓，隨著螺栓到梁腹板距離的增加，螺栓應(yīng)力增加所以說。螺栓孔距離粱腹板不過大可以使相鄰螺栓受力更加趨于合理。

    此外，還有一個問題需要注意。有分析研究表明，螺栓直徑對節(jié)點性能也有很大影響。這個因紊和端板厚度的取值息息相關(guān)。前面已得出，端板厚度的增加可以提高節(jié)點的初始剛度和抗彎極限承載力，但也不是厚度越大越好。當(dāng)螺栓直徑較小時。節(jié)點的失效模式由螺栓的拉斷控制，所以在此種情況下增加端板厚度，會使節(jié)點破壞形式從延性破壞向脆性破壞轉(zhuǎn)變。

3、結(jié)論

    通過分析加勁肋的設(shè)置，端板厚度和螺拴孔到粱腹板距離等因素對節(jié)點性能的影響，得出結(jié)論如下。

    (1)設(shè)置加勁肋使節(jié)點的初始剛度有所提高，提高了節(jié)點的極限承載力，同時可以改善節(jié)點的受力性能。在加勁肋厚度取值時，一般其厚度可和端板厚度保持相當(dāng)，也不宜過大。

    (2)端板厚度的增加可使節(jié)點的初始剛度有所增加，可使節(jié)點的受力趨近合理。但在設(shè)計中，端板厚度的取值也不宜過大，以防止節(jié)點失效模式的轉(zhuǎn)變。

    (3)螺栓孔到粱腹板距離不宜過大，距離適宜可保證相鄰螺栓的受力更加合理。

參考文獻

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)