钢框架结构半刚性连接节点失效模式控制的设计优化研究

邢慧荣

(烟台飞龙集团有限公司,烟台 264000)

钢框架结构在建筑领域中因其卓越的强度、刚性和抗震性能而被广泛应用,钢框架半刚性连接节点在复杂荷载条件下可能发生多种失效模式,半刚性连接节点的性能对整个结构的安全性和稳定性至关重要[1]。因此,对其进行深入研究并采取有效的控制和优化措施具有重要意义[2,3]。

研究以山东省某市QP2007-18号宗地项目为背景,在对比分析不同钢框架结构连接节点的性能基础上,确定设计方案,运用数值模拟方法研究外伸端板半刚性节点的失效模式,并对节点的梁柱结构进行设计优化。研究成果对于提高钢框架结构的安全性和稳定性具有重要意义,可为实际工程中的设计提供理论支持和指导。

1 工程概况

山东省某市QP2007-18号宗地项目规划总用地面积46 887.78 m2(约70亩),拟建物包括8栋现代化多层钢框架结构建筑和2栋2层商业配套用房,设2层的整体地下室。多层钢框架结构高度为32 m,为全钢框架结构,结构平面内大致呈长方形;单体建筑工字型钢柱为30根,规格为Ι390×300×10×16 mm;钢梁为H型钢,规格为HM350×175×7×11 mm。

2 钢框架结构半刚性连接节点的设计

2.1 不同钢框架结构连接节点的对比分析

在传统的钢框架结构设计中,为了便于钢结构的内力计算以及对钢梁柱节点之间的受力机理不明确,通常将梁柱节点采取全焊接方式处理成完全刚性,或者采用铆钉、螺栓等方式处理成铰接。这2种处理方式均没有考虑梁柱节点的刚度为半刚性,得到的结构内力计算结果与实际大相径庭。完全刚接的节点设计忽略了节点的转动能力和夸大了节点的承载能力,使得构件在静力荷载或动力荷载作用下容易发生脆性破坏,而铰接节点设计则完全不考虑节点的弯矩传递,变形过程可以自由转动但不能承受弯矩,从而影响结构的整体受力性能,设计的经济性和安全性无法得到有效保障[4,5]。钢框架结构半刚性连接节点是介于刚性节点和铰接节点之间的一种节点,节点在承受荷载时,节点内部的构件由刚性到柔性逐渐转化,节点储备的刚度和弯矩屈服承载力使其具有一定的抗弯承载力和节点刚度,同时又具有一定的变形能力、耗能能力和延性,能够提高建筑的抗震能力和抗弯能力[6]。

目前,钢框架半刚性节点连接的方式众多,根据节点位置的变化和构造的差异,可以采取不同的连接件将钢结构进行连接。一般而言,连接件主要包括焊缝、高强螺栓、角钢构件、T型构件等。根据弯矩-转角关系和连接件连接方式的不同,可以将半刚性连接节点的构造方式大致分为8类[7],如图1所示。

2.2 钢框架结构半刚性连接节点设计方案确定

钢框架结构半刚性节点的破坏形式为延性破坏,需要具备一定的耗能能力及转动能力。由于外伸端板节点连接方式在设计时具有施工安装方便、钢结构耗材较少、施工质量最高、结构的抗震性能和连接性能最好,因此,设计采用外伸端板节点连接方式。其结构的转动性能需满足式(1)所示,以保证节点连接件的外伸端板先破坏,而螺栓后破坏,节点构件充分耗能。所有钢结构均采用Q345钢,外伸端板的厚度为16 mm。

(1)

式中,t为节点外伸端板的厚度,mm;d为螺栓的直径,mm;fub和fy分别为螺栓极限抗拉强度和屈服强度,MPa,可按表1进行确定。

表1 不同螺栓等级的屈服强度和极限抗拉强度

3 钢框架结构半刚性连接节点失效模式的数值模拟分析

3.1 钢框架结构半刚性连接节点失效模式的数值模型建立

为研究钢框架结构半刚性连接的失效模式,运用ABAQUS有限元分析软件,建立三维外伸端板半刚性节点数值分析模型,如图2所示。所有钢结构均采用实体单元,均为各项同性材料,材料的本构关系服从理想弹塑性模型,采用减缩积分八结点线性六面体单元进行网格划分,并考虑材料的包辛格效应,即各项同性加载强化[8]。荷载加载方式为单调静力加载,初始边界条件的平动位移和转动位移均为0,分为3个加载过程,第1次加载为施加螺栓预紧力,荷载大小为224 kN,加载位置为螺栓的中截面,方向为螺栓法向;第2次加载为施加梁端小位移,使螺栓预梁段进行作用面接触;第3次加载为施加梁段大位移和转角,加载位移为梁段耦合点,转动角度为0.2 rad,位移方向为向下,位移大小为0.2倍梁模型长度。

连接件中的螺栓为Q345高强螺栓,螺栓等级为10.9级,其屈服强度和极限抗拉强度如表1所示,钢梁、钢柱和高强螺栓的弹性模量均取206 GPa,泊松比均取0.3。模拟时,柱构件和梁构件在节点附近进行网格加密,柱结构和梁结构在端板高度外网格尺寸均为30 mm,而在端板高度内网格尺寸均为12 mm,螺栓部分不考虑螺圈和垫圈,网格划分按个数进行划分。

3.2 钢框架结构半刚性连接节点失效模式的数值模拟结果分析

针对荷载加载过程,分析外伸端板半刚性节点的应力和转角,研究其节点的破坏模式,节点的应力计算结果如图3所示。从图3中可以看出,在计算步达到13.052时,应力的分布主要集中在梁端,靠近梁上翼缘处的端板出现较大应力,上部螺栓孔周围的应力明显大于下部螺栓孔周围的应力,梁的上翼缘的应力明显大于梁中部和下翼缘,梁的加劲肋部分出现屈服现象,梁端节点的最大应力为346 MPa(大于梁钢材的屈服荷载345 MPa),节点转角为0.017 2 rad;在计算步达到3.098时,梁端节点的最大弯矩保持不变,但梁端端板部分出现极限应力现象,端板上部的螺栓开始出现屈服现象,端板上部的应力最大值逐步向下部扩散。同样地,上部螺栓孔周围的应力明显大于下部螺栓孔周围的应力,梁端节点的最大应力为346 MPa,节点转角为0.025 6 rad;在计算步达到4.057时,上部第二排高强螺栓进入抗拉极限现象,节点失去承载力,稳定性受到破坏,高强螺栓的最大应力为1 040 MPa,节点转角为0.032 0 rad。由此可以看出,设计的外伸端板半刚性连接节点的破坏形式为延性破坏,破坏时节点的端板先屈服,高强螺栓最后达到极限抗拉强度。

4 半刚性连接节点的设计优化

半刚性节点的失效与梁柱的刚度也具有明显关系,这是因为不同强度和刚度的梁柱,对于半刚性连接点的等效刚度和弯矩屈服承载力具有明显影响。因此,研究设计了3种不同的梁规格方案,并改变钢柱的尺寸大小,进行数值计算,分析节点刚度和屈服承载力的变化特征。计算方案如表2所示。

表2 不同梁柱尺寸的计算方案

图4为不同设计方案下半刚性节点的刚度变化计算结果。从图4中可以看出,在相同的方案下(梁的刚度一致),随着钢柱的尺寸增加,钢柱的刚度增加,半刚性节点的刚度也随之增加;从方案A～方案C,随着梁刚度的增加,在同一钢柱尺寸下,半刚性节点的刚度也随着增加,因此在实际工程中可以通过增加钢梁和钢柱的刚度来提高节点刚度。

图5为不同设计方案下半刚性节点的弯矩屈服承载力变化计算结果。从图5中可以看出,在相同的方案下,随着钢柱的尺寸增加,半刚性节点的弯矩屈服承载力增幅不明显;从方案A～方案C,随着梁刚度的增加,在同一钢柱尺寸下,半刚性节点的弯矩屈服承载力也随之增加,因此在实际工程中,通过改变钢柱的刚度来提高半刚性节点的弯矩屈服承载力不经济,而通过改变梁的刚度则可以达到事半功倍的效果。

5 结 论

a.综合考虑节点的施工安装、耗材、抗震性能和连接性能设计采用外伸端板节点连接方式。数值分析表明,设计的外伸端板半刚性连接节点的破坏形式为延性破坏,破坏时节点的端板先屈服,高强螺栓最后达到极限抗拉强度。

b.随着钢柱的尺寸增加,半刚性节点的刚度也随之增加;从方案A～方案C,随着梁刚度的增加,半刚性节点的刚度也随之增加,因此增加钢梁和钢柱的刚度均可改善半刚性连接节点刚度。

c.随着钢柱的尺寸增加,半刚性节点的弯矩屈服承载力增幅不明显;从方案A～方案C,随着梁刚度的增加,半刚性节点的弯矩屈服承载力也随之增加,因此仅改变梁的刚度可以提高半刚性连接节点的弯矩屈服荷载。