基于半刚性连接门式刚架的抗震性研究

2012-09-01陈剑波南京交通职业技术学院江苏南京211188

中国建材科技 2012年1期

陈剑波(南京交通职业技术学院，江苏南京211188)

近几年在工业厂房的建设中，门式刚架以其自重轻、强度高、抗震性能好、施工速度快、节能环保型等优点得到众多设计师的青睐，在工程建设中应用广泛。传统的设计法中，梁柱节点往往采用的是刚接，但在经历了日本的阪神地震后，工程设计人员发现传统的刚性节点并没有达到预期的性能，多数节点在发生较低程度的塑性变形时就出现了脆性破坏，而此时结构仍处于弹性阶段，这使得工程师们开始将目光投向了半刚性节点。半刚性连接刚架的突出优点在于其在地震作用下具有稳定的滞回性能和良好的耗能性能，较刚性连接刚架具有更好的抗震性能，从根本上解决了刚性连接节点延性不宜保证，容易发生脆性断裂的缺陷。

图1 半刚性节点门式刚架的ansys建模

本文拟对一种采用半刚性节点的门式刚架进行有限元建模及受力分析，并进一步研究半刚性连接对门式刚架抗震性能的改善程度。

1 门式刚架的ANSYS建模

门式刚架整体模型计算假定：1）刚架梁柱离散化为3节点的非线性两单元Beam189，柱间圆钢支撑离散化为空间铰接2节点的杆元Link10，屋面檩条采用Beam44梁单元；2）屋面檩条与刚架梁柱连接采用铰接点，刚架梁柱采用半刚性连接，圆钢支撑与结构连接采用铰接点，柱脚采用刚节点；3）本模型所有构件假定为理想弹性材料，符合HOOKE定律；4）不考虑压型钢板的蒙皮效应。门式刚架的其他数据采用檐口高度9m，跨度24m，柱距6m，屋面活载0.6KN/m2，屋面恒载0.25KN/m2，不计屋面檩条以及钢梁自重，基本风压0.35KN/m2，梁柱采用宽翼缘热轧H型钢，檩条采用C160x60x20x2.5冷弯薄壁型钢，地震设防烈度为7度。计算结构在荷载作用下的相应参数以及工况组合。

2 门式刚架的ANSYS静力分析

1）求解设置的参数化APDL程序

图2 半刚性节点门式刚架的应力强度云图

Solu（进入求解器 -Lsclear，all-Antype，0（静态分析）-Autots，1（自动时间步长）—Nsubst，25，100，1（设置载荷步）-Outres，all，all（输出所有的结果）-Eqslv，pcg，（采用PCG算法）-Time，15（设置时间）。

2）建立边界条件

在柱底端采用刚接约束，约束柱脚的所有方向的自由度；

3）模拟实际情况施加外荷载；

4）求解。

静力计算采用von Mises 屈服准则；按理想弹塑性考虑；采用牛顿-拉斐逊法自动不断修正弹塑性刚度矩阵，追踪非线性变化过程。非线性有限元分析一般采用增量迭代法，以追踪结构整个变形历程。增量迭代法有：牛顿拉斐逊方法、虚加刚性弹簧法、位移控制

法和弧长法等。本文采用的有限元分析程序ANSYS，将牛顿拉斐顿方法和线性搜索技术、应用预测、自适应下降等加速收敛技术有机结合建立非线性平衡方程求解方法。

收敛准则：

检查迭代是否收敛的方法有：不平衡节点力判断、位移增量判断和增量理论判断三种。本文采用了位移增量为判断收敛的准则：

α—收敛允许值，取0.001。

通过分析结果可见，与刚性连接相比，采用了半刚性节点的门式刚架的内力图发生了变化，主要体现在：梁柱端弯矩有减小的趋势，屋脊弯矩变大，梁轴力减小，柱端剪力增大，其余内力基本不变。产生该变化的主要原因是梁柱刚度小于传统的刚接设计，刚度变小从而导致了刚架整体的内力重分布，即使得支座弯矩减小而跨中的弯矩增大。这表明，尽管半刚性连接带来了较好的抗震性能，但必须严格控制柱顶的水平位移，以保证门式刚架在静力作用下的安全性。

图3 半刚性节点门式刚架的内力图

3 门式刚架半刚性节点抗震性能的ANSYS分析

1）半刚性节点的ANSYS静力计算

采用ANSYS计算所得到的结构应力云图（见图4），由应力图中可以发现，梁的翼缘部位、翼缘与角钢连接部位、腹板与连接角钢以及螺栓周围这三个区域为节点的最大应力区。

图4 半刚性节点的应力云图

2）半刚性节点的抗震分析

可以先根据静力分析结果确定出结构的最大应力部位，把这些区域列为危险区域，然后在抗震分析中重点研究这些区域的高应力点。如上面所提到的对梁的翼缘部位、翼缘与角钢连接部位、腹板与连接角钢以及螺栓周围这三个区域为节点的最大应力区。根据前面所计算出来的这些危险部位的静荷载应力由ANSYS中得Fatigue模块进行节点循环，计算结果如图所示。图中表示节点32632的疲劳使用寿命系数为0.80000，即该位置(节点32632)在以该荷载作用下循环80次后损耗了0.8的使用寿命，它的总寿命是(在本文的加载类型下)N=100，这表明该处为疲劳循环作用下的危险区。

图5 节点32632的疲劳计算结果寿命计算

根据上面几个位置所计算得到的抗震寿命情况如表1所示：

表1 各节点的抗震寿命

由以上的数据可知，结构在螺栓与角钢部位(节点64112和节点64116)，角钢与柱面的连接部位(节点32632和节点32638)是静力作用下应力较大部位，但在地震作用下仅有在螺栓与角钢的64116部位和角钢与柱面的32632部位是抗震危险部位，所以应在抗震设计中，对该部位加以重视，采用有效的处理方法以改善该部位的抗震寿命。由此可见，结构在静荷载作用下的应力最大位置往往不一定是抗震危险部位，但抗震危险部位却基本上会出现在这些静荷载最大应力部位的附近。根据ANSYS计算的结果和实际的试验相比较，数据的符合情况还是较好的。