内加劲肋对大尺寸KT型相贯节点抗震性能影响的数值模拟分析①

2014-06-14曾维迪沈之容

佳木斯大学学报（自然科学版） 2014年2期

曾维迪，沈之容

(同济大学建筑工程系，上海 200092)

钢管结构由于具有优良的结构性能以及经济性能而被广泛应用于塔架、钢桥及各种大跨度空间结构中，方钢管相贯节点是其中最主要的节点形式之一.目前，小尺寸相贯节点的研究已比较充分，而对于大尺寸钢管相贯节点的抗震性能，国内外研究较少[1].

随着工程的复杂程度增大，大尺寸方钢管节点得到广泛的应用，但对其抗震性能的研究却很少.对于钢管相贯节点，由于节点和杆件承载力的相关性，其节点极限承载力常常低于杆件承载力，在地震荷载作用下，节点可能先于杆件发生塑性变形或局部屈曲，相贯节点的滞回性能将极大地影响钢管结构的整体抗震性能;而加劲肋的存在，由于限制了其塑性变形，将影响其滞回性能[2].因此，有必要对普通及加劲肋加强的相贯节点的滞回性能进行深入研究.

本文对在弦杆内部不设加劲肋、两个加劲肋及四个加劲肋的大尺寸方钢管相贯节点进行有限元建模，低周往复加载数值试验模拟，得出不同加劲方法下的滞回曲线及骨架曲线[3].

1 研究方法和模型建立

1.1 基本方法

节点如图1所示，弦杆(杆件)截面为 900×900×50×50，斜腹杆(杆件2和杆件3)的截面为 450×450×30×30，竖腹杆(杆件4)截面为 400×400×25×25.杆件1和杆件2(或杆件3)之间的夹角为，杆件1和杆件4之间的夹角为.利用有限元建模分析以下三种条件下节点的滞回曲线:1、弦杆内部不设置加劲肋(如图1)，即位置1～4均无加劲肋(记作KT0);2、弦杆内部设置两个加劲肋，即位置1和4(记作KT2－1)或者位置2和3(记作KT2－2)处设置加劲肋，厚度为50mm;3、弦杆内部设置四个加劲肋(记作KT4)，如图1所示.研究加劲肋位置和数量对节点滞回性能的影响，进而给工程设计一定的参考.

1.2 有限元模型的建立

由于杆件的厚度相对于断面尺寸较小，采用ANSYS程序中4节点有限应变壳单元shell181进行建模计算.单元shell181适用于模拟薄壳至中等厚度壳结构，非常适用于线性分析及大转动、大应变的非线性分析.节点各个杆件的长度根据具体情况取各个杆件最大横截面尺寸的2～4倍不等，按照节点形式进行实体建模[4～5].节点网格划分后有限元模型如图2所示.

节点分析模型的边界条件如图3所示，弦杆一端固定，一端滑动.节点处相当于杆件的支座处，对于大尺度相贯节点应考虑传递弯矩，因此斜腹杆末端为滑动支座.竖腹杆末端承受往复荷载，为自由端.

有限元模型中所有钢材料均采用Q345钢材，材料密度为，屈服强度为fy=345N/mm2，弹性模量E=2.06105N/mm2，随动双线性强化模型、Mises屈服准则，往复加载时考虑Bauschinger效应，钢材泊松比均取0.3.

2 有限元数值试验模拟结果与分析

采用有限元数值方法模拟低周往复加载试验，对不同加劲情况下的节点进行分析，得出其滞回曲线及骨架曲线，评价其抗震性能.

2.1 节点滞回曲线

采用有限元施主模拟得到节点KT0，KT2－1，KT2－2及KT4的滞回曲线如图4所示.可以看出，四种节点的承载力均较高，添加加劲肋后(KT2－1，KT2－2及KT4)，有效的提高了节点的滞回性能.其中，KT2－2的加劲形式，仅使用两个加劲肋便使节点的承载力和滞回性能显著提高.

图1 加劲肋示意

2.2 节点骨架曲线

将节点各圈滞回曲线的极限点连接起来，可以得到节点骨架曲线.通过有限元数值试验模拟分析确定的各种加劲方式下的节点骨架曲线如图5所示.节点骨架曲线的极值点可近似作为节点承受单向荷载时的极限承载力.计算可知，KT2－2形式节点的极限承载力为KT0形式节点的1.75倍.

2.3 节点性能比较

通过计算可得出不同加劲类型下的节点承载力、耗能及延性数据，如表1.从中可以看出，KT2－1形式，即在斜腹杆端部设置加劲肋的形式，具有较高的耗能及延性系数，但承载力没有显著的提高;KT2－2形式，即在竖腹杆端部设置两个加劲肋的形式具有较高的承载力及滞回性能;KT4形式，即在竖腹杆及斜腹杆端部均设置加劲肋的形式具有较高的承载力及滞回性能.相比之下，KT2－2节点加劲形式较为经济高效.