鋼框架結構半剛性連接節點失效模式控制的設計優化研究

邢慧榮

(煙臺飛龍集團有限公司,煙臺 264000)

鋼框架結構在建筑領域中因其卓越的強度、剛性和抗震性能而被廣泛應用,鋼框架半剛性連接節點在復雜荷載條件下可能發生多種失效模式,半剛性連接節點的性能對整個結構的安全性和穩定性至關重要[1]。因此,對其進行深入研究并采取有效的控制和優化措施具有重要意義[2,3]。

研究以山東省某市QP2007-18號宗地項目為背景,在對比分析不同鋼框架結構連接節點的性能基礎上,確定設計方案,運用數值模擬方法研究外伸端板半剛性節點的失效模式,并對節點的梁柱結構進行設計優化。研究成果對于提高鋼框架結構的安全性和穩定性具有重要意義,可為實際工程中的設計提供理論支持和指導。

1 工程概況

山東省某市QP2007-18號宗地項目規劃總用地面積46 887.78 m2(約70畝),擬建物包括8棟現代化多層鋼框架結構建筑和2棟2層商業配套用房,設2層的整體地下室。多層鋼框架結構高度為32 m,為全鋼框架結構,結構平面內大致呈長方形;單體建筑工字型鋼柱為30根,規格為Ι390×300×10×16 mm;鋼梁為H型鋼,規格為HM350×175×7×11 mm。

2 鋼框架結構半剛性連接節點的設計

2.1 不同鋼框架結構連接節點的對比分析

在傳統的鋼框架結構設計中,為了便于鋼結構的內力計算以及對鋼梁柱節點之間的受力機理不明確,通常將梁柱節點采取全焊接方式處理成完全剛性,或者采用鉚釘、螺栓等方式處理成鉸接。這2種處理方式均沒有考慮梁柱節點的剛度為半剛性,得到的結構內力計算結果與實際大相徑庭。完全剛接的節點設計忽略了節點的轉動能力和夸大了節點的承載能力,使得構件在靜力荷載或動力荷載作用下容易發生脆性破壞,而鉸接節點設計則完全不考慮節點的彎矩傳遞,變形過程可以自由轉動但不能承受彎矩,從而影響結構的整體受力性能,設計的經濟性和安全性無法得到有效保障[4,5]。鋼框架結構半剛性連接節點是介于剛性節點和鉸接節點之間的一種節點,節點在承受荷載時,節點內部的構件由剛性到柔性逐漸轉化,節點儲備的剛度和彎矩屈服承載力使其具有一定的抗彎承載力和節點剛度,同時又具有一定的變形能力、耗能能力和延性,能夠提高建筑的抗震能力和抗彎能力[6]。

目前,鋼框架半剛性節點連接的方式眾多,根據節點位置的變化和構造的差異,可以采取不同的連接件將鋼結構進行連接。一般而言,連接件主要包括焊縫、高強螺栓、角鋼構件、T型構件等。根據彎矩-轉角關系和連接件連接方式的不同,可以將半剛性連接節點的構造方式大致分為8類[7],如圖1所示。

2.2 鋼框架結構半剛性連接節點設計方案確定

鋼框架結構半剛性節點的破壞形式為延性破壞,需要具備一定的耗能能力及轉動能力。由于外伸端板節點連接方式在設計時具有施工安裝方便、鋼結構耗材較少、施工質量最高、結構的抗震性能和連接性能最好,因此,設計采用外伸端板節點連接方式。其結構的轉動性能需滿足式(1)所示,以保證節點連接件的外伸端板先破壞,而螺栓后破壞,節點構件充分耗能。所有鋼結構均采用Q345鋼,外伸端板的厚度為16 mm。

(1)

式中,t為節點外伸端板的厚度,mm;d為螺栓的直徑,mm;fub和fy分別為螺栓極限抗拉強度和屈服強度,MPa,可按表1進行確定。

表1 不同螺栓等級的屈服強度和極限抗拉強度

3 鋼框架結構半剛性連接節點失效模式的數值模擬分析

3.1 鋼框架結構半剛性連接節點失效模式的數值模型建立

為研究鋼框架結構半剛性連接的失效模式,運用ABAQUS有限元分析軟件,建立三維外伸端板半剛性節點數值分析模型,如圖2所示。所有鋼結構均采用實體單元,均為各項同性材料,材料的本構關系服從理想彈塑性模型,采用減縮積分八結點線性六面體單元進行網格劃分,并考慮材料的包辛格效應,即各項同性加載強化[8]。荷載加載方式為單調靜力加載,初始邊界條件的平動位移和轉動位移均為0,分為3個加載過程,第1次加載為施加螺栓預緊力,荷載大小為224 kN,加載位置為螺栓的中截面,方向為螺栓法向;第2次加載為施加梁端小位移,使螺栓預梁段進行作用面接觸;第3次加載為施加梁段大位移和轉角,加載位移為梁段耦合點,轉動角度為0.2 rad,位移方向為向下,位移大小為0.2倍梁模型長度。

連接件中的螺栓為Q345高強螺栓,螺栓等級為10.9級,其屈服強度和極限抗拉強度如表1所示,鋼梁、鋼柱和高強螺栓的彈性模量均取206 GPa,泊松比均取0.3。模擬時,柱構件和梁構件在節點附近進行網格加密,柱結構和梁結構在端板高度外網格尺寸均為30 mm,而在端板高度內網格尺寸均為12 mm,螺栓部分不考慮螺圈和墊圈,網格劃分按個數進行劃分。

3.2 鋼框架結構半剛性連接節點失效模式的數值模擬結果分析

針對荷載加載過程,分析外伸端板半剛性節點的應力和轉角,研究其節點的破壞模式,節點的應力計算結果如圖3所示。從圖3中可以看出,在計算步達到13.052時,應力的分布主要集中在梁端,靠近梁上翼緣處的端板出現較大應力,上部螺栓孔周圍的應力明顯大于下部螺栓孔周圍的應力,梁的上翼緣的應力明顯大于梁中部和下翼緣,梁的加勁肋部分出現屈服現象,梁端節點的最大應力為346 MPa(大于梁鋼材的屈服荷載345 MPa),節點轉角為0.017 2 rad;在計算步達到3.098時,梁端節點的最大彎矩保持不變,但梁端端板部分出現極限應力現象,端板上部的螺栓開始出現屈服現象,端板上部的應力最大值逐步向下部擴散。同樣地,上部螺栓孔周圍的應力明顯大于下部螺栓孔周圍的應力,梁端節點的最大應力為346 MPa,節點轉角為0.025 6 rad;在計算步達到4.057時,上部第二排高強螺栓進入抗拉極限現象,節點失去承載力,穩定性受到破壞,高強螺栓的最大應力為1 040 MPa,節點轉角為0.032 0 rad。由此可以看出,設計的外伸端板半剛性連接節點的破壞形式為延性破壞,破壞時節點的端板先屈服,高強螺栓最后達到極限抗拉強度。

4 半剛性連接節點的設計優化

半剛性節點的失效與梁柱的剛度也具有明顯關系,這是因為不同強度和剛度的梁柱,對于半剛性連接點的等效剛度和彎矩屈服承載力具有明顯影響。因此,研究設計了3種不同的梁規格方案,并改變鋼柱的尺寸大小,進行數值計算,分析節點剛度和屈服承載力的變化特征。計算方案如表2所示。

表2 不同梁柱尺寸的計算方案

圖4為不同設計方案下半剛性節點的剛度變化計算結果。從圖4中可以看出,在相同的方案下(梁的剛度一致),隨著鋼柱的尺寸增加,鋼柱的剛度增加,半剛性節點的剛度也隨之增加;從方案A～方案C,隨著梁剛度的增加,在同一鋼柱尺寸下,半剛性節點的剛度也隨著增加,因此在實際工程中可以通過增加鋼梁和鋼柱的剛度來提高節點剛度。

圖5為不同設計方案下半剛性節點的彎矩屈服承載力變化計算結果。從圖5中可以看出,在相同的方案下,隨著鋼柱的尺寸增加,半剛性節點的彎矩屈服承載力增幅不明顯;從方案A～方案C,隨著梁剛度的增加,在同一鋼柱尺寸下,半剛性節點的彎矩屈服承載力也隨之增加,因此在實際工程中,通過改變鋼柱的剛度來提高半剛性節點的彎矩屈服承載力不經濟,而通過改變梁的剛度則可以達到事半功倍的效果。

5 結 論

a.綜合考慮節點的施工安裝、耗材、抗震性能和連接性能設計采用外伸端板節點連接方式。數值分析表明,設計的外伸端板半剛性連接節點的破壞形式為延性破壞,破壞時節點的端板先屈服,高強螺栓最后達到極限抗拉強度。

b.隨著鋼柱的尺寸增加,半剛性節點的剛度也隨之增加;從方案A～方案C,隨著梁剛度的增加,半剛性節點的剛度也隨之增加,因此增加鋼梁和鋼柱的剛度均可改善半剛性連接節點剛度。

c.隨著鋼柱的尺寸增加,半剛性節點的彎矩屈服承載力增幅不明顯;從方案A～方案C,隨著梁剛度的增加,半剛性節點的彎矩屈服承載力也隨之增加,因此僅改變梁的剛度可以提高半剛性連接節點的彎矩屈服荷載。