基于附设扇形钢支撑节点的有限元分析

赵　磊

(云南建投钢结构有限公司，云南 昆明　650217)



基于附设扇形钢支撑节点的有限元分析

赵磊

(云南建投钢结构有限公司，云南 昆明650217)

介绍了新型扇形钢支撑的构造和工作机理，并采用ABAQUS有限元软件，分别对普通钢节点、狗骨式节点及附设扇形钢支撑节点进行静力弹塑性分析，对比了三种节点的应力分布及塑性区发展过程，指出新型扇形钢支撑可有效减小节点附近的应力集中，在不削弱钢梁的情况下，使部分塑性区域转移至支撑，保证了节点及主要构件的安全性。

扇形钢支撑，弹塑性分析，狗骨式节点，钢节点

0　引言

节点连接是保证钢结构安全的重要部位，对结构受力有着重要影响。根据世界震害实录分析表明，许多钢结构都是由于节点首先破坏而导致建筑物整体破坏的[1,2]。因此节点设计是整个设计工作的重要环节。高层钢结构节点的受力状况比较复杂，构造要求相当严格，除理论分析外，美、日等国很早就对高层钢结构的节点性能进行试验研究，我国所制定的“高钢规程[3]”除采用国外比较成熟的做法外，也进行了必要的试验研究工作，为节点的构造和计算提供了依据。本文针对新型扇形钢支撑节点，采用ABAQUS6.12有限元软件进行弹塑性分析，并与传统构造形式的节点进行对比，以说明新型节点的优点。

1　传统节点塑性铰转移方式

节点抗震性能的改进措施分为两个方向：1)增强节点区域，使塑性铰从节点区域转移至梁上，可通过加腋或加盖板等方式对节点进行加强；2)削弱节点附近区域，从而使塑性铰转移，其主要方式为对梁翼缘进行局部削弱(狗骨形节点或腹板开槽节点[4])。最终这两种改进措施都达到了“强节点弱构件”的设计目标[5]。

2　扇形支撑的工作原理

本文提出的扇形钢支撑节点，通过在梁柱之间附设扇形钢支撑，将塑性区域由节点域转移至支撑处，使非重要构件承担一定的塑性变形，从而保证了节点和主要构件的安全性。

扇形支撑的构造示意图如图1所示，在一般情况下，扇形支撑和普通支撑的作用相同，在罕遇地震作用下，扇形支撑允许两弧形翼缘发生相对错动，通过腹板屈曲，达到一定的耗能目的。腹板开槽，使其在地震作用下优先屈服。

3　节点有限元分析

3.1材料本构

采用ABAQUS6.12对钢管混凝土的普通梁柱节点，狗骨式节点以及附设扇形支撑的节点进行静力弹塑性分析，其中，钢材采用Q345，混凝土采用C50，钢材料本构模型采用钢双线性模型，考虑包辛格效应，假定无刚度退化，混凝土材料本构采用ABAQUS所提供的基于塑性的连续体损伤模型。本构模型如图2,图3所示。

3.2模型建立

钢节点模型如图4所示，柱子为钢管混凝土柱，方钢管壁厚15 mm；钢梁采用H型钢，翼缘和腹板厚度均为15 mm。单元类型为实体单元C3D8R。A点(柱上端)释放竖向约束，施加竖向荷载2 540 N，B,C两点施加反对称正弦集中荷载，峰值为600 kN；D点采用完全固定约束。扇形支撑翼缘厚度为15 mm，腹板厚度10 mm。

3.3有限元分析结果

对有限元模型采用静力隐式方法进行弹塑性分析，提取16 s时刻应力云图及计算结果，不同节点的应力云图及塑性区域分布如图5～图7所示。

由应力云图和塑性云图可知，钢管内混凝土未出现塑性变形，普通梁柱节点附近应力集中明显，且出现较大范围的塑性变形；狗骨式节点，最大应力和塑性区域出现在钢梁削弱区段，梁柱连接处应力较小，但由塑性分布云图可知，削弱翼缘会使梁段出现大面积塑性区域，明显降低了主要构件的安全性能；在普通梁柱节点附设扇形支撑后，左侧钢梁塑性区域未发生变化；右侧节点附近应力及塑性区域减小，仅腹板和翼缘连接处出现塑性。且从塑性分布云图可知，新型节点可有效将塑性变形转移至扇形支撑附近。对三种节点的应力时程(S22应力，沿梁方向应力)进行对比，对比结果如图8～图10所示。测点均位于梁柱结合处，其中，测点1位于上翼缘与腹板结合处；测点2位于腹板中间；测点3位于上翼缘边缘。

对比测点1的应力时程可知：在第一个荷载峰值处(16 s附近)，削弱梁段和附设扇形支撑均可有效减小节点附近的应力，其中普通节点应力为470.37 MPa；狗骨式节点为462.29 MPa，应力减小2%；附设扇形支撑节点应力为457.05 MPa，应力减小3%。第二个峰值处(48 s附近)，普通节点应力为472.39 MPa；狗骨式节点的应力为470.22 MPa；附设扇形支撑节点应力为457.38 MPa。狗骨式节点应力提升幅度较大。

对比测点2的应力时程可知：在第一个荷载峰值处，削弱梁段可明显减小节点附近的应力，其中普通节点应力为200.32 MPa；狗骨节点应力为140.75 MPa；附设扇形支撑节点为238.19 MPa。说明狗骨节点可显著减小梁端腹板处应力。在第二个荷载峰值处，普通节点应力提高10.83%；狗骨式节点应力提高50.36%；附设扇形支撑节点提高0.46%。狗骨式节点应力提升幅度较大。附设扇形支撑节点应力较大，但在荷载作用过程中，未出现应力突变。

对比测点3的应力时程可知：附设扇形支撑可有效减小节点附近应力。

由以上数据可得出结论：削弱梁段可有效减小节点附近腹板处应力，但在往复荷载作用下，其安全性能有所降低；附设扇形支撑节点后，节点应力变化稳定，且可大幅度减小翼缘处应力，在往复荷载作用下，可有效保证节点的安全性能。对S22应力和E22应变的最大值进行汇总，汇总结果见表1，表2。

表1　不同测点应力对比　MPa

表2　不同测点应变对比

由表1，表2对比结果可知，狗骨式节点和附设扇形支撑节点，大部分应力和应变均在一定程度上有所减小，且翼缘边缘减小明显。

4　结语

本文提出在梁柱节点附设扇形支撑的加固措施，采用ABAQUS有限元软件分别对三种节点进行静力弹塑性分析，分析结果表明：狗骨式节点可有效减小节点附近应力，但在往复式荷载作用下，沿梁方向正应力明显增大，即可推断在地震作用下，狗骨式节点的安全性能下降明显。附设扇形支撑节点，可将部分塑性变形转移至钢支撑附近，在往复荷载作用下，节点应力变化不大，由此可知，在地震作用下，附设扇形支撑可显著提高节点及主要构件的安全性。

[1]聂正春，李明全.钢结构节点抗震措施简述[J].四川建筑,2010，4(30):183-185.

[2]陈自全，彭修宁，林海.钢结构节点抗震措施研究[J].广西大学学报,2008,6(33):11-14.

[3]GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].

[4]李岩，郝际平，周琦，等.节点域无加劲肋的钢框架栓焊连接边节点的半刚性及其初始刚度[J].工业建筑，2011，9(41)：120-123.

[5]张晓霞.钢结构框架梁柱节点连接设计方法探讨[J].山西建筑，2011，37(5)：43-44.

Finite-element analysis of steel joint attached fan brace

Zhao Lei

(Yunnan Construction Steel Structure Co., Ltd, Kunming 650217, China)

The new type of fan brace structure and working mechanism are introduced, an analysis model of general steel joint, dog-bone joint and the attached fan brace joint are developed by using software ABAQUS, the static elastoplastic analysis is used. Compare the stress distribution of the three kinds of joints and conclude that the new type of fan brace can effectively reduce the stress concentration near the joint. The plastic zone moved to brace in the case of not weaken the steel beam, and ensure the safety of main components and the joint.

the fan steel brace, elastic-plastic analysis, the dog-bone joint, steel joints

1009-6825(2016)25-0053-03

2016-06-13

赵磊(1988- )，男，助理工程师

TU311.41

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