冷弯薄壁型钢梁柱钢板螺栓连接节点有限元分析

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1、第七届全国现代结构工程学术研讨会冷弯薄壁型钢梁柱钢板一螺栓连接节点有限元分析张堇崔佳龙莉萍(重庆大学士木工程学院．重庆4000{；l摘要：本文通过建立3D实体有限元模型对冷弯薄壁型钢梁柱铜扳一螺栓连接节点进行数值仿真分析。通过三组不同条件的有限元模型，分别考查螺栓问距、连接板厚度和连接板形状三个因素对节点连接性能的影响，并与既有试验结果进行比较，获得其冷弯薄壁c型钢背靠背形式的粱桂结构连接节点的真实性能。关键词：冷弯薄壁型钢，背靠背c型钢构作．螺栓一钢扳连接节点，有限元分析一、概述有关梁柱连接节点的弯矩一转角性能，国内外曾做过很多实验，在试验的基础上也建立了一些数据库⋯

2、，但早期的工作主要集中在焊接或热轧的普通钢框架结构，对冷弯薄壁型钢结构连接节点的研究则相对较少。值得注意的是大多数设计建议都是通过加强螺栓、铆钉和焊接来加强节点的承载能力。⋯’。很少有关于螺栓—钢板节点板连接的性能研究。香港理工大学的chung等人曾对钢板连接的冷弯薄壁型钢梁柱节点进行了广泛的研究““”，重庆大学在此基础上也开展了一系列的试验和研究．见图l。试验分为连接板加腋和不加腋两种情况，共计10个边柱足尺节点⋯”’，并针对不加腋连接板的情况用有限元方法分别进行模拟“。通过有限元模型和试验试件的对比分析，发现ANsYs软件分析结果和试验现象基本吻合，利用有限元方法柬

3、更加深入的对冷弯薄壁c型钢钢板一螺栓连接节点进行研究分析是可靠的，并且可以不受实验条件的限制。本文的主要研究内容是堪过有限元软件建立三组不同的有限元模型，分别就螺栓间距、连接板厚度和连接板形状三个囚素对节点连接性能的影响做深入地研究。图1节点试验现场二、有限元模型的建立本文采用大型通用有限元软件ANsYs，建立冷弯薄壁c型钢钢板一螺栓连接节点的3D实体有限元模型，该模型涉及到材料非线性、几何非线性和接触非线性，模型将充分考察节点的非线性连接特征。(一)模型的几何尺寸模型的几何尺寸参照重庆大学进行的试验试件的尺寸大小，其具体尺寸见图2．模型中粱柱构件选用工业建筑2007增

4、甲i405第七届全国现代结构工程学术研讨会两个c100x50x15x2．O的冷弯薄壁型钢背靠背组合截面。螺栓采用4．8级普通螺栓，直径d=10Ⅷ，螺栓问距s2在5d’15d间变化。连接板厚度在3．0’6．0m间变化，连接板的形状分为加腋和不加腋两种形状。(二)单元选取及划分模型的组件分为四个部分，分别为梁、柱、连接板和螺栓，见图3。四部分组件均采用ANsYs提供的8节点一阶实体单元s0LID45。它具有弹塑性，大变形，大转动等非线性特征，根据不同网络划分选项，可以采用六面体、三棱柱或四面体形状。虽然高阶单元可以减少单元数目，提高计算效率，但是当材料进入弹塑性阶段后，由于

5、变形过大，却不能够准确模拟，而细分的低阶单元可以较好的胜任。模型的接触问题采用coNTAl74接触单元和TARGEl70目标单元，目标单元和接触单元通过一个共享的实常数来形成“接触对”。‘s0LID45在单元划分时，为了方便后面接触单元的施加不采用自由划分的四面体的形式．而采用尽量规则的立方体形式。在连接扳加腋处，为了方便单元的划分采用了少量的三棱柱形式。模型的单元划分见图4．．每个有限元模型有28个接触对，可以分为3个部分。第一部分，连接板与钢梁、钢柱腹板的接触，共定义了8个接触对．而且是对称接触；第二部分，螺栓杆凸面与连接板和梁柱腹板的螺栓孔内壁的凹面接触．定义了1

6、0个不对称接触对．其中螺栓杆凸面为coNTAl74．梁柱腹板的螺栓孔内壁凹面为TARGEl70；第三部分，螺帽与梁柱腹板的接触．定义了10个不对称接触对，其中螺栓帽的表面为接触面，梁柱腹板为目标面。图3模型的组件图4模型单元划分(三)材料的本构关系，本文涉及的材料有三类：①制成冷弯薄壁c型梁、柱的冷轧钢板；②连接板采用热轧钢板：③4．8级的普通螺栓和螺母的合金材料。冷弯钢板和热轧钢板的材料本构关系采自实验室取得的构件单轴拉伸试验实测值，应力一应变曲线采用三折线形式，不考虑下降段，使用Von砒ses等向强化模型，泊松比取0．3。材料的屈服点、极限强度以及相应的弹性模量见表

7、1。4．8级螺栓的抗拉强度为400肝a，用屈强比为0．8可推出屈服强度为320肝a。分析中采用的钢材弹性模量根据GB50017—2002取为2．06x105肝a，泊松比为0．3a1406工业建筑2007增刊第七届全国现代结构工程学术研讨会表1材料的力学·性能＼测量值屈服点(fy)弹性模量(Ey)极限强度(蛐屈服应变最大应力时应变删＼fMPn(MPa}御Pa)(％)．(％)冲轧钢板233-31155680．0310290．25．02热轧钢板272．0616955l73442．53021080(四)边界条件及加载边界条件按照试验实际情况进行约