苏迪石永久
清华大学土木工程系,北京,100084
[ 摘要 ] 本文运用ANSYS对不同构造型式和影响参数的钢结构框架组合梁与柱连接节点进行了非线性有限元分析,研究了节点构造参数对节点应力分布、塑性区分布、极限承载力以及焊接孔
末端应力集中的影响,着重分析了混凝土组合作用对于节点力学性能的贡献。经过分析比较,
合理的模型可以得到令人满意的结果。
[ 关键词]梁柱节点组合作用有限元非线性分析 ANSYS
The Analysis for Seismic Behavior of Beam-to-Column Connection in Steel Structures with ANSYS
Su Di Shi Yongjiu
Department of Civil Engineering, Tsinghua University. Beijing 100084, China
[ Abstract ] ANSYS is applied on non-linear FEA analysis of the composite beam-to-column connections with various constructional details and parameters of steel structures in the
paper. The stress distribution of the connections and the plastic district distribution under the
effect of the constructional variations are investigated. Also the connection strength and
stress concentration at the end of the weld access hole are included. And this paper gives
great emphasis on the distribution to the mechanical properties of the connections by the
composite effect of the concrete and the steel reinforcement. The analysis shows that
satisfactory results could be attained from rational models.
[ Keyword ] beam-to-column connection; composite effect; finite element; non-linear analysis;
ANSYS
1 前言
钢框架梁柱节点的抗震性能研究自美国Northridge 和日本Kobe 地震以后,得到了各国结构工程界的广泛重视。在这两次地震中,梁柱节点都遭受了严重的脆性破坏,节点破坏主要发生在梁柱翼缘焊接处,且多为完全脆性断裂。钢梁上混凝土板的组合效应是其中的重要原因。混凝土楼板的组合作用将使节点正弯矩区支座组合截面中和轴上移,下翼缘应力可能较不考虑组合作用时有所加大,将使钢梁下翼缘处于不安全状况。在这种情况下,有必要对于组合效应对于节点的力学性能造成的影响作一个全面的分析。
ANSYS [1]
软件提供了出众的非线性分析功能,同时能够借助网格局部细化和自适应网格划分的功能,对应力和变形集中部位进行局部加密,非常适合于研究节点的脆性断裂问题。同时,ANSYS 还提供了参数化设计语言APDL ,可以进行参数化的分析流程管理,能够全面的考虑各种构造细节和参数设定对整个节点力学性能造成的影响。本文介绍了利用ANSYS 分析考虑混凝土板组合效应的钢框架梁柱节点的抗震性能的过程,并且将有限元计算结果与试验结果进行了对比,表明有限元计算的结果是准确和合理的。 2 有限元分析过程
2.1 材料模型
试件钢材采用Q235钢,经材料试验其屈服强度为260MPa ,弹性模量为2.0×105MPa 。有限元分析采用的应力-应变关系根据材料试验结果取所示。试件采用C30级混凝土,其本构关系如所示,采用Von Mises 屈服准则及相关流动准则,多线性随动强化准则。在弹性和塑性加载阶段都考虑几何非线性。钢筋则采用理想弹塑性模型,钢筋的屈服强度为210MPa ,混凝土板的配筋率为0.90%。根据产品质量保证书的数据,该节点采用的10.9级的高强度螺栓(包括螺栓头、螺栓杆和螺母)的应力—应变关系采用三线性模型。
图1图2
图1 ANSYS 分析采用的钢材模型
图2 ANSYS 分析采用的混凝土模型
钢节点部分采用钢梁翼缘与柱焊接,钢梁腹板与柱焊接或高强度螺栓连接的形式,这种节点是典型的柱贯通型的刚性连接形式,在我国的钢结构工程中得到了大量的运用。有限元模型如图3所示。钢节点实体大部分采用三维实体单元Solid45进行扫掠网格划分,单元为六面体形状,少数部位采用三棱锥形的自由网格划分。混凝土实体则采用Solid65实体单元,并直接采用Solid65单元中的整体式钢筋模型建模,考虑混凝土的开裂和压溃的影响,使用弥散固定裂缝模型。
为适应应力分布和应力集中的差异,在不同区段采用了不同的网格密度,尤其对焊接孔周围高应力集中区用较小的单元尺寸进行了细化,如图4所示。分析中突出节点构造及组合作用对节点性能的影响,节点中凡是焊接的地方,都在模型中粘结在一起,这样划分网格后在交界处的节点自动位移协调。剪切板和梁腹板之间没有粘结,而是建立起一对接触面,接触单元采用CONTA174单元,目标单元则采用对应的TARGE170单元,高强螺
栓采用PRETS179单元模拟预拉力。螺栓的两个螺母也与梁腹板、剪切板粘结在一起,没有考虑此处的接触问题。在有限元分析中,没有对栓钉单独进行建模,在混凝土和钢界面上直接采用粘结处理,认为两种材料间粘结强度很大,从而能够忽略了界面上的相对滑移。有限元模型还忽略了节点焊缝和焊接残余应力的影响,没有对焊缝进行单独建模。
图3 节点有限元模型图4 节点局部网格细化图
2.3施加荷载与求解
在设定边界条件时,将柱的上下两端设置为铰接,在梁的两端采用反对称的竖向集中力的方式施加荷载,之所以采用这样的荷载形式,主要是考虑到节点在承受水平地震荷载作用时,梁两侧的地震力呈反对称的分布形式。所有试件的分析计算过程都分两个荷载步,第一荷载步施加位移约束和螺栓预拉力荷载,第二荷载步则在试件的加载位置施加力荷载,这样的加载顺序完全符合实际的受力过程。在计算中采用力加载的方式,运用
Newton-Raphson方法迭代,灵活使用自动步长和等步长进行计算控制。
3有限元计算结果及分析
3.1节点的荷载-位移曲线
图5给出了ANSYS计算得到的节点荷载-位移曲线,图中还给出了相应的纯钢节点的曲线。从图中可以看出,在考虑混凝土板的组合作用之后,无论是对节点的承载能力还是节点的初始线刚度而言,都有很大程度的提高,说明在进行节点设计时,应该考虑混凝土板的组合作用,只要能够选择合理的配筋,就能够实现良好的经济效应,承受更大的荷载。
更为重要的是,当前在进行钢框架的节点抗震设计时,常规的等截面梁上未经任何加强或削弱就直接与柱连接的作法,是不能实现“强节点弱构件”的抗震设计理念的,在考虑组合效应后,其极限承载力提高显著,则有助于该设计思路的实现。
图5 节点的荷载-位移曲线
3.2焊接孔末端的应力状况
焊接孔末端是一个应力集中比较严重的区域,在美国Northridge地震中破坏的梁柱节点,有很大部分是首先从焊接孔末端裂开,这类破坏与此处的应力集中是分不开的。图6显示了在负弯矩作用下焊接孔末端的Von Mises应力分布情况。从图上可以看出,尽管焊接孔末端已经离开梁端一段距离,但是应力集中使得此处的应力与梁端相近,甚至比梁端还大。梁翼缘端部与焊接孔末端都是焊缝连接,如果存在焊接缺陷,就会进一步加重应力集中,使得在地震荷载作用下,比较容易从这两处发生脆性破坏。在考虑混凝土的组合效应之后,这种应力集中的状况更为严重,这对于节点的延性而言是十分不利的,需要在节点抗震设计时注意,尽量避免脆性破坏的发生。
图6 焊接孔末端的应力分布图
3.3节点域的变形
梁柱内部节点在受到两侧反向荷载作用时,节点域是以剪切变形为主,基本上呈现纯剪的受力状态。图7显示了节点域主应变矢量的分布图,从图中可以看出,在节点域内基本上所有的主应变矢量都在45度方向左右,这与力学分析的结果是一致的。
图7 节点域主应变矢量分布图
3.4与实验结果的对比
使用同样的有限元模型,分析了Zandonini[2]所完成的组合节点实验的计算,着重对节点的荷载-位移曲线进行比较。从图8中可以看出,试件的有限元计算值与实验值曲线在初始加载阶段均为理想的线弹性段,符合良好,这一点对于结构设计非常重要,同时初始
线刚度略为偏大。当曲线进入非线性段后,有限元与实验曲线仍然符合较好。有限元计算得到的试件承载力与试验结果符合也较好,但总体上略有偏低。以上分析表明,有限元分析计算对于考虑组合相应的钢节点力学性能分析能得到较好的计算结果,这为进一步运用有限元方法对各种形式和构造的组合节点进行分析计算提供了正确性依据。
1020304050607080
50
100
150
P (k N )v (mm)
实验值
计算值
图8 节点荷载-位移曲线图 4 结论
本文借助于有限元分析软件ANSYS 对考虑组合效应的钢结构框架梁柱节点的抗震性能进行了深入的分析,与试验结果对比分析表明数值模拟结果足够精确,所选用的数值模拟方法是正确有效的,可以用来分析其它类似的组合节点,同时也为对进一步研究影响组合效应得诸多力学参数奠定了基础。
[参考文献]
[1] ANSYS 公司. ANSYS 用户手册.
[2] Benussi, F., Puhali, R. & Zandonini, R., Semi-rigid joints in steel-concrete composite frames. Costruzioni Metalliche, No. 5 (19)