半剛性端板連接的有限元模擬

沈乾　馬軍

東南大學土木學院　江蘇南京210096

    傳統的鋼框架結構分析都假定梁柱節點是完全剮接或理想鉸接的，雖然完全剛接和理想鉸接的情況可使分析過程大大簡化．但由此帶來的在分析設計過程中的精確度也值得探討，文獻【l】、【2】、【3】都指出，在通常情況下，梁柱焊接節點的轉動剛度在6x10skNm/tad左右。而螺栓連接等情況下的節點轉動剛度在(2—10)x104kN．m/tad之間約是焊接節點的l/6—1/30,遠遠達不到剛接的要求，因此在實際研究中，其力學分析模型應該是介于兩者之間的一種半剛性連接方式。

    其中，端板連接是一種極其重要的半剛性連接方式。端板連接又有外伸端板連接和平齊端板連接等形式。鋼結構中的端板連接經常是一種抗彎連接，端板連接處高強螺栓承受組合軸向力和剪力，節點壓力分布和螺栓內力分布狀態取決于連接的構造，材性，所受載荷等，因而節點受力狀態復雜，精確計算很困難。

    在本文中，用有限元模擬的方法對端板連接進行簡單研究，對在端板連接設計中涉及的一些重要因素，如加勁肋的設置，端板厚度，螺栓孔到粱腹板距離等，進行逐個研究，考慮這些因素變化時對節點性能的影響，得出一些簡單的結論，從而為端板連接設計提供一些簡單參考依據。

1、材料的本構關系和有限元模型的建立

    l.l 材料的本構關系

    在本文中，粱柱和端板的鋼材采用Q235鋼，螺栓采用8．8級高強螺栓，粱柱、端板和螺栓的鋼材都采用線彈性一線性強化應力應變關系的三線性模型。圖l為梁柱和端板所用鋼材的應力應變曲線，圖2為高強螺栓的應力應變關系曲線。

    1.2有限元模型的建立

    本文研究的模型在單元選取方面采用了solidl85單元，該單元為3維8節點單元，每個節點有三個方向(ux。uy，uz)的自由度。solidl85單元具有超彈性、塑性、蠕變、大撓度、大應變和應力剛度等特性。

    在單元劃分時，在螺栓孔周圍、螺栓和螺母處進行局部同格細化。對粱腹板、翼緣采用映射同格加尺寸控制，對端板、螺栓、柱翼緣采用自由網格加尺寸控制。

    在本文中，接觸的模擬很關鍵。模型中考慮了端板和柱翼緣、栓桿和栓孔之間的接觸，而且考慮初始侵人。所有接觸采用TARGEl70單元和CONTAl74單元來模擬面面接觸，以考慮這些接觸面之間的摩擦。TARGEl70單元是三維三節點目標單元。和相關接觸單元聯用，來模擬面面接觸。TARGEl70單元可以覆蓋在剛體或變形體表面,通過共享實常數號和相關接觸表面配對。CONTAl74單元是一種三維八節點高級四邊形面面接觸單元，每個節點有3個平動自由度。

2、有限元分析的結果研究

    在分析中，分別從端板位移和螺栓應力兩個方面來考慮各個因素對端板連接半剛性節點的影響。端板位移從如下考慮：在端板上依次等間隔取4個點，通過改變各個影響因索，得到各點的位移情況。螺栓應力從如下考慮：研究受拉區螺栓的受力情況，分別考慮翼緣外側和內側兩捧螺栓的受力。

    分別從加勁肋的設置，端板厚度。螺栓孔到粱腹板距離這幾個因素來考慮。

    2.1加勁肋的影響

    各點位移隨加勁肋厚度變化的變化曲線，螺栓應力隨加勁肋厚度變化的變化曲線。各點的位移隨著加勁肋厚度的增大而減小．以第4點為例．當不設置加勁肋時，節點位移為0.11mm,當加勁肋厚度為l0mm時，節點位移為0.102mm，當加勁肋厚度為20mm時，節點位移為0.093mm所以說，加勁肋的設置使端板的變形有所減小，使端板的抗彎剛度有所提高。對于翼緣外側螺栓，隨著加勁肋厚度的增加，其受力也逐漸增加，在不設置加勁肋時，螺栓應力為31.02MPa,當加勁肋厚度增加到20mm時，螺栓應力為34.03MPa4對于翼緣內側螺栓。隨著加勁肋厚度的增加，其受力逐漸減小，在不設置加勁肋時，螺栓應力為35.76MPa,當加勁肋厚度增加到20mm時，螺栓應力為27.69MPa。所以說．加勁肋的設置降低了粱翼緣內側螺栓的應力，而且在一定程度上改善了節點的應力分布。節點受拉區的拉力由內外兩側螺栓分擔，改善了節點的受力性能．綜上，設置加勁肋使端板的抗彎剮度有所提高，節點的初始剮度也有所增大，提高了節點的極限承載力。

    2.2端板厚度的影響

    各點位移隨端板厚度變化的變化曲線，螺栓應力隨端板厚度變化的變化曲線。

    各節點的位移隨著端板厚度的增加而減小．以第4點為例，端板厚度依次為lOmm、15rmm、20mm、25mm時，相應的節點位移依次為0.13mm、0.122mm、0.112mm、0.1mm，呈遞減趨勢所以說，節點的剛度隨著端板厚度的增加而增加，厚度越大，節點變形也越小，端板厚度增加，節點的初始剛度和抗彎極限承載力也隨之增加，端板厚度不大時，增加其厚度可有效地減小節點的變形，但當端板厚度增加到一定數值時。節點位移的減小不明顯，由圖8知．對于翼緣外側螺栓。隨著端板厚度的增加，螺栓應力也隨之增加，當端板厚度依次為l0mm、15mm、20mm、25mm時，外側螺栓的應力依次為32.06MPa、32.56MPa、3471MPa、38A2MPa，呈遞增趨勢，對于翼緣內側螺栓．隨著端板厚度的增加．螺栓應力隨之減小，當端板厚度依次為l0mm、15mm、20mm、25mm時，翼緣內側螺栓的應力依次為51.15 MPa、47.01MPa、42.56MPa、36.OlMPa呈遞減趨勢，所以說，端板厚度的增加可使外側螺栓拉應力有所增加，同時降低梁翼緣內側螺栓的拉應力，相應地，這樣就使內外側螺栓受力趨于均勻．對節點受力來講是有利的，綜上，端板厚度的增加使節點的初始剛度有所增加。可使節點的受力趨近合理。

    2.3螺栓孔到粱腹板距離的影響

    各點位移隨螺栓孔到粱腹板距離變化的變化曲線，螺栓應力隨螺栓孔到梁腹板距離變化的變化曲線。

    各點的位移隨著螺栓到粱腹板距離的增加而增加，以第4點為例，當螺栓到粱腹板的距離依次為25tmm和35mm時，節點的位移依次為0．077 mm和0．O8 mm．呈增加趨勢，所以說。螺栓距梁腹板的距離不宜過大，否則會使節點剛度降低，對于翼緣外側螺栓，隨著螺栓到梁腹板距離的增加，螺栓應力減小，對于翼緣內側螺栓，隨著螺栓到梁腹板距離的增加，螺栓應力增加所以說。螺栓孔距離粱腹板不過大可以使相鄰螺栓受力更加趨于合理。

    此外，還有一個問題需要注意。有分析研究表明，螺栓直徑對節點性能也有很大影響。這個因紊和端板厚度的取值息息相關。前面已得出，端板厚度的增加可以提高節點的初始剛度和抗彎極限承載力，但也不是厚度越大越好。當螺栓直徑較小時。節點的失效模式由螺栓的拉斷控制，所以在此種情況下增加端板厚度，會使節點破壞形式從延性破壞向脆性破壞轉變。

3、結論

    通過分析加勁肋的設置，端板厚度和螺拴孔到粱腹板距離等因素對節點性能的影響，得出結論如下。

    (1)設置加勁肋使節點的初始剛度有所提高，提高了節點的極限承載力，同時可以改善節點的受力性能。在加勁肋厚度取值時，一般其厚度可和端板厚度保持相當，也不宜過大。

    (2)端板厚度的增加可使節點的初始剛度有所增加，可使節點的受力趨近合理。但在設計中，端板厚度的取值也不宜過大，以防止節點失效模式的轉變。

    (3)螺栓孔到粱腹板距離不宜過大，距離適宜可保證相鄰螺栓的受力更加合理。

參考文獻

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)