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薄壁方钢管梁柱加腋节点数值分析

发布时间:2021-04-02 作者 : 徐斌 姚勇 褚云朋 周俐俐 邓勇军 陈代果 缪新乐 来源 :网络 围观 :

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  要:通过采用有限元软件对薄壁方钢管梁柱加腋节点进行数值模拟,分析该节点的性能以及该节点的破坏模式。结果表明:该节点属于半刚性节点,不能简单的视为刚性连接或铰接;并且加劲肋应力变化较大,设计时应具有足够的厚度;该节点的最终破坏是由于方钢管梁的局部屈曲,符合“强节点弱杆件”的抗震设计原则。

 

关键词:薄壁方钢管;加腋节点;半刚性连接;数值模拟

1 

 

薄壁轻钢结构作为一种新型的钢结构体系,由于薄壁轻钢结构具有整体性好、高次超静定的结构体系,具有多道抗震防线的优点,并且符合我国的环保、节能、节水、住宅产业化政策,将成为我国建筑发展的新趋势[1]。在我国薄壁轻钢结构房屋体系(图1)当中,其轻钢骨架梁柱构件通常采用冷弯薄壁方钢管、矩形钢管、C型钢、L型钢、槽型钢,然而在这些截面形式当中,以方钢管、矩形钢管的截面形式较优越。这类截面材料绕中和轴均匀分布,使得截面具有良好的抗压和抗弯扭承载能力以及较大的刚度[2],从而降低结构的用钢量。然而在这类轻钢骨架之间通常采用直接焊接方式(图2),采用焊接方式连接,密闭性好,板件净截面面积不会减小,但在这种节点反复焊接过程当中,对节点部分产生很明显的初始应力,节点脆性明显增

 

图1 轻钢结构骨架体系(薄壁方钢管梁柱加腋节点)

加,降低节点的延性,然而节点是构成钢框架不可

 

缺少的部分,并且历次地震,如1985年墨西哥城地震、1994年美国诺斯里齐地震、1995年日本阪神地震,大部分轻钢建筑都以节点的破坏而导致建筑的倒塌,因此对这类轻钢结构的节点连接应受到工程界的广泛重视[3-4]。为此本文提出在方钢管梁的上下翼缘增设加劲肋,以改善节点的强度和刚度。建立三维空间节点有限元模型进行分析,探讨加腋后节点的性能及其破坏模式。

2.模型建立

2.1几何模型

图3为本文研究节点的三维视图,其中方钢管柱的截面尺寸为120×120×3mm,高度为1200mm,两个方钢管柱之间间距为600mm;方钢管梁1、2截面尺寸为100×100×2mm,其中方钢管梁1长度700mm,方钢管梁2长度为480mm;加劲板尺寸为120×50×3mm,加劲肋尺寸为40×3mm。

 

图2现场焊接节点(薄壁方钢管梁柱加腋节点)

 

(1-方钢管柱,2-方钢管梁1,3-方钢管梁2,

4-加劲板,5-加劲肋,6-方钢管柱底板)

图3 加腋节点三维视图

2.2 材料模型

 

方钢管梁柱的材料特性见图5,加劲肋与梁柱所用材料相同,故取相同值。采用多线性材料模型,弹性模量E=161249.7MPa,泊松比ν=0.3。模型采用的屈服准则为Von Mises屈服准则,并且认为材料是各向同性强化的。

2.3有限元模型

采用ANSYS软件对图3所示的连接节点建立有限元计算模型。由于方钢管梁柱的长度及宽度与其壁厚的比值较大,故采用每个节点具有6个自由度的壳单元shell181,该单元具有应力刚化及大变形功能,具有强大的非线性功能;增设的加劲肋采用四面体单元solid92,每个节点具有三个自由度,该单元支持塑性、蠕动、膨胀、应力钢化、大变形和大张力;方钢管柱上下底板采用solid45单元,并且假定其为刚性;在方钢管梁1端部增加端板,其中线距离方钢管柱翼缘距离为650mm,假定其为刚性。对于体单元与壳单元的公共边界采用共用节点,建立该节点的有限元模型如图4所示,并对节点域处的单元网格划分加密。方钢管柱底部为固端上部为铰接的边界条件。

 

图4 加腋节点有限元模型(薄壁方钢管梁柱加腋节点)

 

图5材料本构

3.计算结果分析

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