半刚性纯钢节点有限元模型的建立及分析

2010-04-14李景旺

山西建筑 2010年14期

李景旺

1 概述

在钢结构的设计中，钢框架横梁与柱的连接起着在两种构件之间传递弯矩和剪力(剪力与轴力的转换)的作用，是钢结构框架的主要组成部分[1]，因此，构件连接节点是高层钢结构安全的重要保证。钢结构的结构变形性能主要决定于节点的连接，其连接性能直接影响着整个框架在荷载作用下的整体性能，是钢框架设计中要注意的关键部位之一[2]。

梁与柱连接的刚度对框架性能的影响比较显著，而即便是新修订的钢结构规范也只是将框架的梁柱节点处理为理想的刚接或铰接。习惯上，只要连接对转动约束达到理想刚接(即框架发生变形时梁柱之间没有相对转动，其夹角保持不变)的90%以上，即可视为刚接;而把在外力作用下，梁、柱轴线夹角的改变量达到理想铰接(梁与柱之间不能传递弯矩，并且用铰连接在一起的梁与柱将独立的发生转动)的80%以上的连接视为铰接。但实际工程当中很难做到上述的两种情况，大部分都是介于两个极端情况之间的半刚性连接[3]。很显然，按照完全的刚接或者铰接则使设计偏于保守或不安全。所以，研究钢结构框架节点的真实变形能力，使设计安全、合理、经济，具有极其重要的意义。本文采用有限元软件ANSYS对齐平端板连接的梁柱纯钢节点进行建模，并利用其结果得到弯矩与转角的关系曲线，为以后分析节点的应力、变形能力等提供基础。

2 几何模型

齐平端板半刚性纯钢节点的几何尺寸见表1，其构造示意图见图1。

表1 梁、柱构件截面尺寸 mm

3 ANSYS有限元模型建立的关键

3.1 单元的选取

鉴于纯钢节点组成材料的性质，梁、柱、端板及螺栓等钢构件用Solid45单元模拟。Solid45单元用于建立三维结构实体模型，单元有8个节点，每个节点有3个自由度，单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变等功能，十分适合模拟钢材的性能;端板与柱翼缘、螺栓侧壁与螺栓孔之间的接触对用Targe170和Conta173单元模拟，采用三维接触单元Targe170和Conta173模拟接触之间的相互作用时需设定摩擦系数，螺母与柱翼缘、螺帽与端板及端板与柱翼缘均借助高强螺栓的预拉力而相互挤压接触，它们之间的摩擦系数为0.35;螺栓杆与孔壁在正常工作中是不发生接触的，此处按接触处理，但取摩擦系数为 0;用Prets179单元模拟高强螺栓的预拉力。

3.2 求解及收敛控制

在ANSYS中对结构非线性问题的求解方法主要有两种，全牛顿—拉普森平衡迭代法和弧长法。本文采用牛顿—拉普森法(NR法)常用来求解非线性问题，其收敛速度较快，是一种常用的计算方法。ANSYS提供了一系列命令来增强问题的收敛性，如自适应下降、线性搜索、自动载荷步、二等分等方法。如果问题仍然不能收敛，那么程序将继续计算下一个载荷子步或者终止。

3.3 边界约束条件

在结构分析中，正对称边界条件是指在对称平面外的平移和对称平面内的转动被设置为零;反对称边界条件是指对称平面内的平动和对称平面外的转动被设置为零。如果合理的利用对称边界条件，一次可以减少将近一半的单元数目，如果能够利用两次，则可以将单元数目减少到原来的1/4，计算时间也会大大减少。对称边界条件的利用不会降低计算的准确性，是符合力学简化模型的。考虑本文分析对象结构、荷载的对称性，本文采用1/4的有限元模型进行模拟。有限元模型的约束条件和荷载按照实际情况输入，柱顶施加 x，z方向约束;柱底输入 x，y，z三个方向的约束;柱腹板边缘输入关于y—z平面的对称约束。边界约束情况如图2所示。