带加劲肋顶底角钢连接梁柱节点的有限元研究★

李 松 王 湛,2*

(1.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640； 2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640)



·结构·抗震·

带加劲肋顶底角钢连接梁柱节点的有限元研究★

李 松1王 湛1,2*

(1.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640； 2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640)

为了研究影响钢框架带加劲肋顶底角钢连接梁柱节点的静力性能的因素，采用ABAQUS，对节点进行大量非线性有限元分析，探讨了角钢厚度、加劲肋厚度及其形状尺寸、角钢规格以及高强螺栓预紧力对节点性能的影响，得出了一些有价值的结论。

钢框架，静力性能，加劲肋，高强螺栓

0 引言

相对于传统焊接钢结构节点而言，顶底角钢连接显得更加简单、高效、经济以及高质量，安装过程中底角钢可以作为梁的承托，现场拼装无需焊接。近几十年来有大量关于顶底角钢连接节点的性能研究成果[1]，认为顶底角钢连接节点变形能力强，具备良好的延性，但是强度与初始转动刚度较小，而工程中往往在节点连接处角钢上增设加劲肋。

对于角钢连接加劲连接节点系统性研究相对较少，Davor Skejic[2]根据EC3[3]设计节点进行顶底角钢加劲肋节点单调试验，并给出了初始转动刚度、强度计算方法，但并未对节点的滞回性能进行研究。Faella[4]指出施加预紧力大小对节点的刚度与强度有较大影响。王素芳等[5]指出按照GB 50017—2003钢结构设计规范与EC3设计连接节点初始刚度计算相差很大是由于施加高强螺栓预紧力程度不同。

本文主要研究角钢厚度、加劲肋厚度及形式、角钢规格以及螺栓预紧力等因素对节点连接的静力性能的影响，并给出相应的建议。

1 模型及材料本构

1.1 几何模型

节点梁柱构件全部采用的是热轧H型钢，柱截面：HM250×

250×9×14；梁截面：HM194×150×6×9。柱高取2 m，梁长1 m。

1.2 有限元模型

利用软件ABAQUS进行建模分析。有限元模型中，梁柱、角钢以及螺栓等构件实体均采用C3D8R单元进行模拟。高强螺栓杆与孔壁间，螺帽与梁翼缘、柱翼缘以及角钢等相邻板材间，角钢与梁翼缘和柱翼缘间均采用接触对单元，接触面摩擦系数取0.3。节点有限元模型如图2所示。

1.3 材料本构

遵循结构抗震设计的强柱弱梁的基本原则，柱钢材等级比其他构件取高一级，选用Q345，梁、角钢以及加劲肋等其他钢材等级选用Q235，螺栓选用8.8级M16摩擦型高强螺栓，钢材和螺栓本构关系如图3所示。

材料参数见表1。

表1 钢材材性参数

试件fy/N·mm-2fu/N·mm-2E/×105N·mm-2柱子345500210梁、角钢235340210高强螺栓640800210

2 有限元结果分析

有限元模型共5组，分别选取角钢厚度、加劲肋厚度及形式、角钢规格以及螺栓预紧力进行分析。

一个城镇的产业发展对一个城市的发展至关重要，城镇的产业是一个城市得以快速发展的基础。城镇化发展要求一个城市的第一产业发展水平比较高，我们知道第一产业是为一个城市提供茶、米、油、盐。只有保证一个城市的基本吃穿，一个城市才能不断往高方向的发展。而一个城市的发展靠第一产业难以带动，必须大力发展第二、三产业，第二产业和第三产业是带动城市经济发展的钥匙。但是武夷山民族地区，现在的发展还是主要靠第一产业带动，第二产业还明显依靠粗放型的加工为主，第三产业旅游业虽有所发展，但力度明显不足，传统的饮食业、商业仍然是其发展的主要方向。

2.1 角钢厚度对节点静力性能的影响

有限元模型共4个，详细参数见表2，分析结果如表3,图4所示。表3中，Rini为节点初始转动刚度；My为节点弹性屈服弯矩；Mu为节点塑性极限弯矩，是指在没有发生应变强化时连接所能传递的最大弯矩；θy和θu分别为与My和Mu相对应的节点转角。由图4可看出：节点初始转动刚度和承载能力随着角钢厚度的增加都有明显的增大，JT2，JT3，JT4相对于JT1来说，初始转动刚度分别提高了21%，34%，42%，弹性屈服弯矩和塑性极限弯矩分别提高了42%，70%，110%，弹性屈服转角分别增大了22%，32%，61%，塑性极限转角分别增大了12%，82%，207%，说明节点的塑性发展随着角钢厚度的增加而减缓。从JT3与JT4两条曲线可以看出对应的连接螺栓处过早产生滑移，原因是角钢厚度过大，与高强螺栓不匹配，建议高强螺栓替换成10.9级。

表2 角钢厚度模型参数 mm

表3 角钢厚度参数下计算结果

2.2 加劲肋厚度对节点静力性能的影响

有限元模型共4个，详细参数如表4所示，分析结果如表5，图5所示。根据表5和图5可以看出：ST2，ST3，ST4相对于ST1来说，初始转动刚度分别提高了 3.1%，4.6%，6.1%，弹性屈服弯矩和塑性极限弯矩分别提高了4.5%，6.9%，8.8%，弹性屈服转角分别增大了2.2%，3.7%，4.3%，塑性极限转角分别增大了1.9%，5.1%，6.1%，说明节点的塑性发展随着加劲肋厚度的增加而减缓。可见，节点初始转动刚度和承载能力随着加劲肋厚度的增加都有所增大，但增幅并不是很明显。

表4 加劲肋厚度模型参数

mm

表5 加劲肋厚度参数下计算结果

2.3 高强螺栓预紧力对节点静力性能的影响

有限元模型共4个，详细参数见表6，分析结果如表7,图6所示。可以看出：预紧力为10 kN时，节点连接螺栓处过早产生滑移；LS-30 kN，LS-50 kN，LS-70 kN相对于LS-10 kN来说，初始转动刚度分别提高了10.7%，16.9%，20.8%，弹性屈服弯矩和塑性极限弯矩分别提高了9.6%，10.8%，11.2%，弹性屈服转角分别减小了71.9%，73.5%，74.6%，塑性极限转角分别减小了49.8%，51.7%，53.7%，说明节点的塑性发展随着螺栓预紧力的增加而加快。可见，节点初始转动刚度和承载能力随着高强螺栓预紧力的增加都有明显的增大。

表6 高强螺栓预紧力模型参数

表7 高强螺栓预紧力参数下计算结果

2.4 加劲肋形式对节点静力性能的影响

有限元模型共7个，详细参数见图7，分析结果如表8，图8所示。可以看出：SS1，SS4，SS5三种形式的节点初始转动刚度、弹性屈服弯矩和塑性极限弯矩最大，三者数值差不多；SS2和SS3的初始转动刚度次之，比SS1小6%左右；SS6和SS7的初始转动刚度最小，分别比SS1小11.3%和8.8%；加劲肋形式建议采用SS1，三角形两条直角边的长度分别等于角钢两肢的长度。

表8 加劲肋形式参数下计算结果

参数Rini/kN·m·rad-1My/kN·mθy/radMu/kN·mθu/radSS1460313.60.003120.40.0076SS2434511.80.002717.70.0071SS3436511.80.002717.70.0074SS4468213.70.003020.50.0075SS5464513.40.002920.20.0078SS6408412.70.003319.00.0110SS7420011.70.002917.50.0082

2.5 角钢规格对节点静力性能的影响

有限元模型共4个，详细参数见图9，分析结果如表9，图10所示。可以看出：J2，J3，J4相对于J1来说，初始转动刚度分别提高了0.3%，3.8%，10.7%，弹性屈服弯矩和塑性极限弯矩几乎不变，弹性屈服转角分别减小了2.8%，8.0%，10.0%，塑性极限转角分别减小了6.6%，16.6%，18.9%，说明节点的塑性发展随着角钢规格的增大而加快。可见，节点初始转动刚度和承载能力随着角钢规格的增大并没有明显的增加。

表9 角钢规格参数下计算结果

3 结语

1)增加角钢厚度和增大高强螺栓预紧力，都能明显增加节点的初始转动刚度和承载能力。

2)改变加劲肋厚度和角钢规格，对节点的初始转动刚度和承载能力的影响不大。

3)加劲肋的形式对节点初始转动刚度和承载能力的影响不可忽视，建议采用三角形，三角形两条直角边的长度分别与角钢两肢的长度相等。

[1] Garlock M M,Ricles J M,Sause R.Cyclic load tests and analysis of bolted top-and-seat angle connections[J].Journal of structural Engineering,2003,129(12):1615-1625.

[2] Skejic D,Dujmovic D,Beg D.Behaviour of stiffened flange cleat joints[J].Journal of Constructional Steel Research,2014(103):61-76.

[3] CEN E.3:Design of steel structures,Part 1.8:Design of joints[Z].Brussels:European Committee for Standardization,2005.

[4] Faella C,Piluso V,Rizzano G.Experimental analysis of bolted connections:snug versus preloaded bolts[J].Journal of Structural Engineering,1998,124(7):765-774.

[5] 王素芳,陈以一.T形件连接初始刚度的理论计算模型[J].工业建筑,2007,37(10):80-83.

Finite element research of continuous steel beam-column joint of bottom angle with stiffening rib★

Li Song1Wang Zhan1,2*

(1.CollegeofCivil&Transport,HuananUniversityofTechnology,Guangzhou510640，China; 2.StateKeyLaboratory,SubtropicalBuildingScience,SCVT,Guangzhou510640,China)

In order to study factors influencing static performance of continuous steel beam-column joint of steel frame with bottom-angle stiffening rib, the paper carries out large amount of nonlinear finite element analysis of the joint by applying ABAQUS, explores the influence of angle steel thickness, stiffening rib thickness and size, angle steel scale and high-strength bolt pre-tightening force upon joint performance, and finally draws some valuable conclusions.

steel frame, static performance, stiffening rib, high-strength bolt

1009-6825(2017)07-0021-03

2016-12-27 ★:国家自然科学基金项目(51378009;51378219);广东省高等学校优秀青年教师培养计划(Yq2013014)

李 松(1992- )，男,在读硕士

王 湛(1958- )，男，博士，博士生导师，教授

TU311.4

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