螺栓端板连接节点的三维非线性有限元分析

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1、匡祯斌,等:螺栓端板连接节点的三维非线性有限元分析螺栓端板连接节点的三维非线性有限元分析匡祯斌　孙炳楠　顾正维(浙江大学建筑工程学院　杭州　310027)摘　要　通过对不同厚度的螺栓端板连接节点的三维非线性有限元分析,全面研究和探讨了端板对于节点初始连接刚度,梁的延性破坏以及本身接触状态的影响,从而为这种节点的正确设计提供参考。关键词　端板　非线性有限元　初始连接刚度　延性破坏32DNONLINEARFINITEELEMENTANALYSISOFEXTENDEDEND2PLATECONNECTIONKuangZhenbinSunBingnanGuZhengwei(Dept1ofCivilE

2、ngineering,ZhejiangUniversityHangzhou310027)ABSTRACTTheeffectofdifferentthicknessofend2plateintheextendedend2plateconnectionisstudiedby32Dnonlinearfiniteelementanalysesinthreeaspects:theeffectsoninitialconnectionstiffness,contactstatesitselfandductilityfailureofbeam1Someconclusionsdrawnmaybesignif

3、icantlyusefulforthedesignofthisconnection1KEYWORDSend2platenonlinearfiniteelementinitialconnectionstiffnessductilityfailure的不连续性以及接触面间接触状态的改变决定了这种连接0　引　言的非线性性质。本文正是通过对不同厚度的螺栓端板连接高层钢结构框架中梁与柱连接节点,按其转动约束刚度的非线性有限元分析对比,来全面研究端板的影响。可分为三类:刚性节点、半刚性节点和铰接节点。螺栓端板连接由于其易于安装和定位,施工较方便而被广泛采用。又1　模型描述由于其具有较高的连接刚度而常常

4、被当作完全刚性的节点111　几何模型来处理。在我国现行《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ典型的螺栓端板连接节点的构造如图1所示。它由梁〔1〕99-98)中,也是按照这一假定来进行节点设计的。截面通过焊接与端板连接,端板再通过高强螺栓与柱翼缘连〔2〕R1Hansan和N1Kishi等人的研究表明,当螺栓端板连接的接,柱腹板在梁翼缘的水平位置处设加劲肋。在计算中柱上5105初始连接刚度大于10kN·m/rad时,这种连接才可以看下端采用完全固定,柱采用H350×175×9×11型钢,螺栓采作是刚性连接,否则就应将其视作半刚性连接。用<16高强螺栓,梁采用H250×125×6×9型钢,加劲肋

5、采〔3,4〕美国Nothridge和日本Kobe地震震害表明,刚性连用332×84×10的钢板,端板采用500×150,厚度为14、18、接的梁柱节点因延性较差容易发生脆性破坏,而螺栓端板连22mm三种钢板。接只要经过正确的设计,就能够表现出较好的延性,能够承受较大的地震荷载。这可从AhmedGhobarah,RobertM.〔5〕Korol等人的研究中得到证实。他们所提出的较理想的破坏状态是梁和柱腹板几乎同时屈服而进入塑性状态来共同耗散地震能量,而端板只发生局部屈服。在全焊接连接的分析过程中,节点的总变形假设为三部分,即柱变形,梁变形和柱腹板加劲肋的变形。而螺栓端板连接中由于引入了端板,

6、使得节点总变形中不但要考虑端板本身的变形,而且端板的存在将会对其他组件的变形产生重要的影响,比如对柱翼缘的影响,对柱腹板的影响等。而现行的规范并未考虑端板的这种影响,仍然沿用全焊接连接的1-332×84×10;2-H250×125×6×9;设计公式来计算各组件(包括柱腹板)的应力应变等,这显然3-500×150×14(18,22);4-H350×175×9×11与实际情况不符。更为重要的是不同的端板厚度所产生的图1　螺栓端板连接节点构造影响也是不同的。由于梁与端板焊接再通过高强螺栓和柱翼缘板连接,从第一作者:匡祯斌　男　1975年10月出生　硕士收稿日期:2003-12-04而在端板与柱翼

7、缘板之间就会产生接触应力,这种材料本身SteelConstruction12004(2),Vol119,No17147结构分析与计算112　有限元模型Δuf+Δtfθ=(1)本文应用大型结构分析软件ANSYS进行分析。在计算Db-tbf式中,θ为节点转角;Δuf、Δtf、Db、tbf的意义见图5。模型中,全部采用八节点实体单元SOLID45来模拟,每个节点有3个自由度。螺栓头和螺帽面积近似按圆形来考虑,面积按八角形近似换