梁端翼缘扩大型梁柱节点受力性能*

杨 璐， 陈 虹(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870)

建筑工程

梁端翼缘扩大型梁柱节点受力性能*

杨 璐， 陈 虹
(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870)

为了研究不同形状参数下梁端翼缘加强板对梁端翼缘扩大型梁柱节点的影响，分析了不同形状的梁端扩大翼缘形状最优方案.基于梁端强度相同的准则，改变其翼缘加强板的形状，设计了三种形状的梁端翼缘扩大型梁柱节点.利用有限元分析软件ABAQUS建立了不同形状参数下的有限元分析模型，研究在静载作用下节点的力学特征，对比分析不同材料参数的扩翼对梁端翼缘扩大型节点性能的影响程度.结果表明，不同扩翼形状对节点承载力水平影响并不显著，而对节点处应力分布影响较大；扩翼强度对节点的受力性能影响不大.

节点的可靠度设计作为钢结构体系设计过程中重要的考虑因素，是结构设计人员一直遵循的设计准则.然而由于钢结构梁柱节点在地震和飓风等自然灾害的作用下，其节点连接区域塑性铰的出现极大地影响了节点的使用性能，给结构的抗震能力带来了安全隐患[1]，并且梁柱连接节点处的应力集中现象一直是结构设计人员在节点设计时的关键问题.因此，通过合理地利用梁端扩翼使梁端塑性铰外移，解决梁柱节点在承受反复荷载时梁端出现塑性铰，以及节点柱与节点梁连接部位出现应力集中的问题，这种新型钢结构梁柱节点被运用到工程实际中，即梁端翼缘扩大型节点.国内外学者对此种节点的受力性能进行了大量的研究，并取得了较多的理论及试验成果[2-6].王玉田[7]系统地研究了梁端翼缘扩大型钢框架的耗能能力、抗震机理以及梁柱连接节点的抗震性能，通过拟动力试验方法，研究了基于梁端翼缘扩大型连接的大比例钢框架动力反应和抗震性能；刘芸等[8]对侧板加强型节点连接焊缝发生断裂的可能性进行了研究，并基于焊接残余应力对指定路径的断裂指标分布规律进行了研究；马辉[9]建立了扩翼型和侧板加强型节点的三维有限元模型，采用ANSYS有限元分析软件对试验模型进行了循环荷载下的有限元计算，分别对扩翼型节点和侧板加强型节点建模进行了循环荷载下的三维非线性有限元分析.上述学者对翼缘扩大型节点的抗震性能进行了详细研究，但对节点材料及扩翼形式并未进行深入研究.因此，本文在此基础上研究了翼缘扩大型梁柱节点的扩翼在不同材料性质及不同形状下对节点受力性能的影响程度，进而研究最优的节点梁端翼缘增加板的材料匹配及尺寸优选，为实际工程中翼缘扩大型梁柱节点的应用提供了参考.

1 节点设计

为了深入研究节点在受力过程中各部分所受应力的大小及变化规律，本文参照《钢结构设计规范》[10]设计了四种钢结构梁柱节点构造形式，其中，梁柱的尺寸分别为H450 mm×250 mm×8 mm×16 mm和H300 mm×120 mm×8 mm×12 mm.三种扩大翼缘节点连接构造形式为：扩翼与梁上下翼缘焊接，得到的扩大翼缘板与柱上加强板焊接，梁端腹板与焊接于柱翼缘上的连接板采用高强螺栓连接；为了保证节点区域拥有足够的强度和刚度，在与梁相连的柱翼缘板内侧设置加劲肋板，肋的厚度与翼缘厚度相同；螺栓采用8.8级摩擦型高强螺栓.普通节点为连接板通过螺栓连接.四种节点分别编号为FPC1、FPC2、FPC3和GN1.基于各参数的分析试件如表1所示.图1为四种节点构造示意图(单位：mm).

采用分离组合式方法建立梁柱节点有限元模型.单元类型均为实体单元C3D8R.为了保证钢材模拟的准确性和有效性，钢材本构采用线性弹塑性力学强化模型.采用TIE定义扩翼、梁端翼缘、柱腹板、柱肋板、连接板和柱翼缘之间的焊接连接接触关系；考虑材料性质与实际受力情况，螺栓、连接板、柱翼缘和梁腹板之间的接触关系设置为硬接触，同时设置钢材之间的摩擦系数为0.3.节点的计算简图如图2所示，其中，FN为柱轴向荷载，轴压比为0.3.梁端采用位移加载，近似取梁端转角代替层间位移角.节点有限元模型如图3所示.

表1 试件参数Tab.1 Specimen parameters

图1 四种节点构造示意图Fig.1 Schematic structure for four kinds of joints

图2 节点计算简图Fig.2 Simplified calculation diagram for joint

图3 四种节点有限元模型Fig.3 Finite element models for four kinds of joints

2 有限元模拟结果

2.1 扩翼强度对节点受力性能的影响

图4 不同扩翼强度下三种节点的荷载位移曲线Fig.4 Load-displacement curves for three kinds of joints with different widened flange strengths

2.2 扩翼形状对节点性能的影响

图5 三种扩翼强度下FPC2梁端应力云图Fig.5 Stress nephogram at end of FPC2 beam with three widened flange strengths

图6 三种扩翼形状荷载位移曲线Fig.6 Load-displacement curves for widened flange with three shapes

3 结 论

本文通过对不同扩翼参数下的节点进行有限元模拟分析，对比分析了三种节点的受力性能，并与非扩翼型节点进行了对比分析，得出以下结论：

1) 翼缘扩大型梁柱节点能够有效地使梁端塑性铰出现区域向梁跨中转移，避免由于塑性铰的出现导致节点柱发生破坏；

2) 节点梁根部翼缘与腹板交接处存在复杂的三向应力状态，应力集中现象严重，合理采用扩翼材料能够有效地分配节点梁端出现的应力集中区域；

3) 根据参数分析可知，扩翼强度及形状的变化对节点的受力性能影响不大，但对节点处应力分布影响显著，扩翼形状对节点的受力性能亦具有较大影响.

[1]杨雪.基于拟力法的耗能减震结构塑性铰外移研究 [D].大连：大连理工大学，2013.

(YANG Xue.The study of structures with dissipation devices for end offsets using force analogy method [D].Dalian：Dalian University of Technology，2013.)

[2]张浩松.扩大翼缘式节点域箱形加强型工字形柱弱轴连接单调荷载试验研究 [D].西安：长安大学，

2014.

(ZHANG Hao-song.Experimental study on I-section beam-to-column connections under the monotonic load with box strengthen-joint region and expanded flange in weak axis [D].Xi’an：Chang’an University，2014.)

[3]刘子龙.梁端扩大翼缘型节点域箱形加强式工字形柱弱轴连接边框架节点滞回性能的有限元分析 [D].西安：长安大学，2015.

(LIU Zi-long.Finite element analysis of hysteretic behavior on expanded flange of box strengthen-joint re-gion connection in fringe frame for weak axis of I-section column [D].Xi’an：Chang’an University，2015.)

[4]冯双.钢框架梁端翼缘板加强型节点的数值研究 [J].钢结构，2013，28(1)：13-18.

(FENG Shuang.Numerical study on flange-plate reinforced connections of steel frame beam [J].Steel Structure，2013，28(1)：13-18.)

[5]王燕，刘芸，毛辉.梁端翼缘扩翼型节点抗震性能分析 [J].土木建筑与环境工程，2012，35(2)：52-60.

(WANG Yan，LIU Yun，MAO Hui.Seismic characteristics of widened beam flange joint [J].Journal of Civil，Architectural & Enviromental Engineering，2012，35(2)：52-60.)

[6]张延年，李恒，刘明，等.新型夹心墙用耐腐蚀拉结件受力性能试验 [J].沈阳工业大学学报，2010，32(2)：228-234.

(ZHANG Yan-nian，LI Heng，LIU Ming，et al.Expe-rimental study on mechanical performance of new cor-rosion resistant tie for cavity wall [J].Journal of Shen-yang University of Technology，2010，32(2)：228-234.)

[7]王玉田.梁端翼缘扩大型连接钢框架抗震性能研究 [D].西安：西安建筑科技大学，2012.

(WANG Yu-tian.Seismic behavior of steel frame with expanded flange connections at the beam end [D].Xi’an：Xi’an University of Architecture & Technology，2012.)

[8]刘芸，王燕，周翾，等.梁柱翼缘连接焊缝对节点脆断特征的影响 [J].工业建筑，2014，44(9)：150-155.

(LIU Yun，WANG Yan，ZHOU Xuan，et al.Effect of weld at flanges junction of beam and column on the brittle fracture of side-plate reinforced joint [J].Industrial Construction，2014，44(9)：150-155.)

[9]马辉.钢框架梁端翼缘扩翼型和侧板加强型节点有限元分析 [D].青岛：青岛理工大学，2010.

(MA Hui.Finite element analysis of widen flange section and side-plate reinforced section of steel frame [D].Qingdao：Qingdao Technological University，2010.)

[10]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50017-2003 钢结构设计规范 [S].北京：中国计划出版社，2003.

(Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB50017-2003 Code for design of steel structures [S].Beijing：China Planning Press，2003.)

(责任编辑：钟 媛 英文审校：尹淑英)

Mechanical performance of beam-column joint with widened beam flange

YANG Lu, CHEN Hong
(School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to study the influence of beam flange stiffening plate with different shape parameters on the beam-column joint with widened beam flange, the optimal shape scheme for the beam widened flange with different shapes was analyzed. Based on the same beam strength criteria and through changing the shape of flange stiffening plate, the beam-column joint with widened beam flange with three shapes was designed. With the finite element analysis software ABAQUS, the finite element analysis model with different shape parameters was established. In addition, the mechanical properties of the joint under the action of static load were investigated, and the effect of flange with different material parameters on the properties of beam-column joint with widened beam flange was compared and analyzed. The results show that the different shapes of widened flange have no obvious influence on the bearing capacity level of the joint, but possess a great influence on the stress distribution at the joint. Furthermore, the strength of widened flange has a little influence on the mechanical properties of the joint.

finite element analysis; parametric analysis; beam-column joint with widened beam flange; parameter for flange plate; numerical study; static load; contrastive analysis; load-displacement curve

2016-07-14.

国家自然科学基金资助项目(11102118)； 辽宁省教育厅基金资助项目(L2012030).

杨 璐(1973-)，女，山东掖县人，教授，博士，主要从事混凝土弹塑性损伤本构和ABAQUS数值模拟等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.04.19

TU 391

A

1000-1646(2017)04-0459-05

*本文已于2017-01-19 17∶56在中国知网优先数字出版. 网络出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170119.1756.012.html