肖然 (同济大学土木工程学院)
[ 摘 要 ] 综述钢结构铰接连接节点 ,使用 ABA Q U S 有限元软件对钢结构中梁柱铰接连接节点中加劲肋的作用进行了数
值分析 ,其中考虑材料非线性的作用 。
[ 关键词 ] 钢结构 铰接节点 ABA Q U S 材料非线性
The analysis of the role of st iff ener in the steel bea m - col umn hinged nodes
Abstract : At fir st t hi s p aper summa rize s t he steel hinge co nnecting no de . Then using t he finite element sof t wa re ABA Q U S , t he numerical analysi s of t he role of t he stiff ener in t he beam steel hinge co nnecting no de s i s car ried , by t he material no nlinea rit y co n2 sidered.
Ke y wo rds : steel st r uct ure ; hinged no des ; ABA Q U S ; material no nlinea rit y 1 钢结构铰接连接节点综述
铰接连接节点 ,从理论上讲是完全不能承受弯矩的连接 节点 ,因而一般不能用于构件的拼接连接 ;铰接连接节点通常 只用于构件端部的连接 ,比如柱脚 、梁的端部连接和桁架 、网 架杆件的端部连接等 。但是在建筑结构中 ,作为铰接的连接 节点 ,其特性并未完全铰接 ,如图 1 所示的常用连接节点 ; 它 对弯矩并非完全不能承受 ,只是抗弯刚度远低于构件的抗弯 刚度 ,因而在工程实际中把它视作铰接连接来处理 ,这是简便 可行的 ,并不会降低杆件的承载能力 。
的翼缘) 又与柱子的腹板相连接 ,从而使得节点的整体刚度有 了很大的提高 ,受到剪力作用时 ,尽管有弯矩的作用 ,但是节 点变形很小 ,节点的承载力有很大的提高 。
图 2 梁柱铰接时加劲肋布置
图 1 常见铰接节点
在《钢结构连接节点设计手册》中 ,梁柱铰接节点中 ,工字 钢梁与工字钢柱的腹板相连接时 ,绝大部分都在柱上设置了 加劲肋或支托 。加劲肋 究竟在梁柱铰接连接中起 到什么作 用 ,是否是必须设置的 ? 本文取下图 2 所示的一个铰接节点 进行了理论和数值分析 。
加劲肋的设置如下图所示 2 设置加劲肋的理论分析
由梁端传来的剪力作用到柱子腹板上时 ,剪力对腹板中 心存在偏心 (如下图 3 所示) ,产生附加弯矩 。若没有设置图 2 中所示的加劲肋 ,则腹板受到较大弯矩的作用 ,易于失稳 , 连接板与腹板之间的焊缝受到附加弯矩和剪力的综合作用 , 从而使节点的承载力降低 ,同时连接板的转角很大 。若设置 了加劲肋 ,则连接板不再是单纯的一块板 ,而是一个程度很小 的工字钢 ,刚度很大 ,同时增加的上下两块加劲板 ( 即工字钢
(a) 次梁梁端与主梁的连接 ; ( b) 轻型柱脚的连接 ; (c) 屋架支座的连接
无加劲肋
图 3 剪力偏心
有加劲肋
3 设置加劲肋的数值分析
为了验证上述结论 ,可以在通用有限元软件 a baqus 建立 分析模型 ,利用节点承受的剪力 V 来评价节点的承载力 ,同
作者简介 :肖然 ( 1986 . 8 - ) ,男 , 工科硕士 , 研究方向 : 钢结构和高耸结 构 。
时考察节点的变形 。
(1) 节点相关尺寸如下图所示 (2) 模型注意事项 ①柱子的上下端采用固定边界条件 。由于在节点上下留 有足够的柱子长度 ,所以上下端固定可以模拟节点的变形特 性 ;
υ = 01 3 , 采 用 ②材料采用 Q235 钢 , E = 21 06 ×105 M Pa ,
理想弹塑性模型 ,相应地 ,分析时要考虑非线性 。
③采用三维二次缩减积分单元 C3D20 R , 由 于采用的是 二次单元所以可以在厚度方向仅划分一个单元 。这样可以减 少计算量 。
■建筑结构
福建建设科技 20111 No1 2 27
无加劲肋
图 4 模型尺寸
有加劲肋
④施加的荷载为 :
对模型施加 160kN 的竖向力 ,粗略换算为连接板截面上 20N/ mm2 的剪应力 ;
(3) 建立模型及网格划分如下
图 7 节点最大 M IS ES 应力与外荷载关系
无加劲肋 有加劲肋
图 5 模型及网格划分
(4) 计算结果
图 8 无加劲肋模型的应力云图
图 6 无加劲肋模型的应力云图
从图 6 中可以看出 ,在 160kN 的剪力作用下节点区域有 部分进入了塑性 。该模型中 ,节点最大应力与外荷载关系如 图 7 所示 。从图 7 中可以看出 ,当外荷载 即相当于 时 ,节点 进入塑性 。
从图 8 中可以看出 ,有加劲肋模型在承受 160 kN 的荷载 时最大应力仅为 461 5 M Pa , 远未达到塑 性 , 所以还 可以继续 承载 。这就说明加了加劲肋后 ,节点的承载力有了很大的提 高 。从图 9 可以看出 ,尽管我们采用了非线性分析 ,但由于在 模型中只有材料非线性比较明显 ,所以节点最大应力和外荷 载在材料达到塑性前仍然成线性关系 ,由此我们近似可以计 算出当材料进入塑性时外荷载的大小 :
图 9 节点最大 M IS ES 应力与外荷载关系图
×20 = 808602N≈808 kN 461 5 2 808 V = = 5 . 6 V 1 144
所以我们看到 ,当设置了相应的加劲肋后 ,节点承载力是 没有设置加劲肋时的 51 6 倍 。因此 ,梁腹板与柱子垂直的铰
V 2 = 500 ×16 × 235 接连接中应当设置相应的加劲肋 。 参考文献
[ 1 ] 李星荣等 1 钢结构连接节点设计手册 ( 第二版) [ M ]1 北京 : 中国 建筑工业出版社 ,20051
[ 2 ] 王肇民 1 建筑钢结构设计[ M ]1 上海 :同济大学出版社 ,20021
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