波折腹板钢梁中柱弱轴半刚性外伸端板连接性能研究

李清扬 郑红霞 孙建颖 张琪

摘要：建立实体模型时采用ANSYS软件，研究波折腹板钢梁中柱弱轴外伸端板连接的性能，得到弯矩-转角曲线、最大荷载时的节点区位移和von Mises应力云图，随外加荷载增加，弯矩-转角曲线由线性特征转为非线性。分析了连接的性能，以及梁腹板高度、端板厚度和螺栓直径对弯矩-转角曲线的影响。结果表明：梁与中柱连接节点产生相对转动变形的主要因素是梁受拉翼缘连接处的端板区域及与中柱连接处的腹板区域的变形;梁腹板高度对连接节点的转角及抗弯承载力有显著影响;当端板厚度较小时，端板厚度的变化对连接节点的转角及抗弯承载力有显著影响;当端板厚度增大到一定程度时，对连接节点的性能影响逐渐减小。螺栓直径的变化对中柱连接节点的性能的研究没有显著影响。

Abstract： In order to study the performance of weak axis extended end-plate steel beam connections with corrugated webs， the three-dimensional solid model was established by ANSYS software. Moment-rotation curves， nodal displacement map and Von Mises stress cloud picture under the maximum load were obtained.  Characteristics of the moment-rotation curves changes from linear into nonlinear with the increase of external loads.The performance of the connection was analyzed， as well as the influence of web height， end-plate thickness and bolt diameter on the moment-rotation curves.The results show that the main factors of the relative rotation of the beam and middle column are the deformations of end-plate connecting tension flange and the web connecting column.The web height has a significant influence on rotation angle and bending capacity of connection node. When the end-plate is thin， the change of end-plate thickness has an obvious influence on connection node rotation angle and bending capacity. When the end-plate thickness increases to a certain extent， its impact on the performance of the node becomes small gradually. The bolt diameter has not a great impact on the connection node performance.

關键词： 波折腹板钢梁中柱节点;弱轴;半刚性连接;静力性能;弯矩-转角曲线

Key words： steel beam with corrugated webs central column joint;weak axis;semi-rigid connection;static behavior;moment-rotation curves

中图分类号：TU391                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2018）36-0132-04

0  引言

波折腹板钢梁因其良好的性能，应用日趋广泛[1-3]。相对于刚性连接，半刚性连接更符合框架节点的实际情况。文献[4]研究了波纹腹板H型钢梁柱强轴半刚性连接性能;孙飞飞，戴晓欣，朱奇，李国强等的文献[5]《波纹腹板H形钢空间节点静力性能研究》针对梁梁拼接位置的连接方式（栓焊混合连接构造形式和全焊缝连接形式）进行了研究;文献[6]对波纹腹板H型钢梁边柱节点弱轴半刚性连接性能进行了研究。对于中柱节点弱轴半刚性连接的研究并不多见，考虑框架的空间工作性能，梁柱弱轴连接是框架节点的重要组成部分，其性能影响着框架的安全性、适用性、耐久性。端板螺栓连接承载性能好，构造简单，施工速度快，质量易保证[7]。外伸端板连接是半刚接的典型形式。本文研究波折腹板钢梁中柱弱轴半刚性外伸端板连接的性能，有一定的实际意义。

研究对象为波折腹板钢梁中柱弱轴外伸端板半刚性连接节点，采用ANSYS有限元软件对其进行三维实体的模拟，得到弯矩-转角曲线，并进行力学性能研究分析;同时还分析了梁腹板高度、端板厚度和螺栓直径等参数对弯矩-转角曲线的影响。

1  模型建立

1.1 几何模型

参考CECS291：2011《波纹腹板钢结构技术规程》[8]，中柱连接的模型：型号为CWA500-200x12的波折腹板钢，梁腹板高500mm，梁翼缘宽200mm、厚12mm，腹板厚4mm，此波形参数如图1所示。

普通H型钢柱的规格为350mm×350mm×12mm×19mm，采用10.9级M24摩擦型高强螺栓连接，梁伸出段长2.974m，端板厚20mm。梁柱连接尺寸及螺栓排列如图2、图3所示。连接几何模型如图4所示。

1.2 有限元模型

1.2.1 单元选取和材料特性

采用Solid 92单元对波折腹板钢梁、H型钢柱、螺栓、端板进行模拟;柱腹板和端板间的接触采用Targe 170和Coma 174单元进行模拟;螺栓施加预紧力采用Prets179单元，根据JGJ82-2011《钢结构高强度螺栓连接技术规程》[9]规定对螺栓的预拉力设计值设置。

选用Q235钢对梁、柱及端板进行设计，采用Mises屈服准则和等向强化本构模型进行模拟，弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比？滋=0.3，接触面抗滑移系数为0.40。

1.2.2 网格划分、边界条件和加载

网格划分时，螺栓和端板的结果如图5所示;模型网格划分及施加边界条件如图6所示。

施加固端約束的部位是柱下端截面的节点，限制X、Y、Z方向上的自由度;柱顶端施加约束方向为X、Z方向，同时限制X、Z方向的平动自由度。对梁悬臂端施加平面外约束并进行Y向位移耦合，在梁端施加强制的位移荷载，梁端最大位移为21mm。

2  静力性能分析

2.1 弯矩-转角曲线、初始刚度

弯矩-转角曲线是研究半刚接节点力学性能的参数，其中，转角为连接节点的相对转角，是指梁与柱轴线之间产生的转角变化量。

连接的初始刚度是指连接在梁端弯矩作用下弯矩与转角之间呈线性关系时的刚度：即

式中：RKi为初始刚度;dM为弯矩变化量;d？兹为转角变化量;？兹为转角。

2.2 连接受力特性分析

加载初期，中柱连接处的位移不断变化，但变化较小，随外部荷载的加大，中柱连接节点处的位移也随之变大，荷载增加到最大时，中柱节点区位移如图7所示。由图7可知：模型受到最大荷载时，出现塑性变形的部位是端板与柱的腹板，此部位开始出现裂缝。并且转动中心的变化——由螺栓群中心向下移动，梁端承受竖向荷载作用时，梁受拉翼缘连接处的端板区域位移最大（图8）。

由此可知，梁受拉翼缘连接处的端板区域及中柱连接处的腹板区域位移较大、应变较大，变形较明显，是梁与中柱连接节点产生相对转动变形的主要因素。

2.3 影响连接性能的参数分析

为了得到对弯矩-转角曲线的影响选取的参数为波折腹板高度、端板厚度和螺栓直径等。

2.3.1 梁腹板高度

保证其他参数不变，改变波折腹板高度，建立了A系列模型，如表1所示。对每一个构件均进行有限元的分析得到图9的结果。

由图9知：梁腹板高度参数变化：500mm（A1）增大50mm到550mm（A2）、550mm（A2）增大50mm到600mm（A3）、600mm（A3）增大50mm到650mm（A4）、650mm（A4）增大50mm到700mm（A5）的过程中，连接节点的初始转动刚度的变化由17.4%变化到16.2%，由16.2%变化到14.6%，由14.6%变化到13.1%。由此可知当增大梁腹板高度时，中柱连接节点的初始转动刚度及极限弯矩均随之增加。所以，适当增大梁腹板高度可以达到提高承载力的效果。

2.3.2 端板厚度

保证其他参数不变，通过改变端板厚度，建立了B系列的模型，如表2所示，根据CECS 51022：2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》[10]规范的相关规定选用端板的厚度。借助ANSYS有限元软件对不同厚度的模型进行分析，得到弯矩-转角曲线，如图10所示。

由图10可知：当端板厚度由10mm （B1）增加到16 mm （B2）时，转角及极限弯矩都在变大，且增量显著，这表明端板厚度较小时，中柱节点破坏是端板的屈服引起的;厚度由16 mm（B2）扩大到22mm （B3）时，转角及极限弯矩增加不显著，这表明中柱节点的破坏不受端板厚度影响;当厚度由22mm（B3）变化27mm（B5）时，转角和极限弯矩的增加的更小，这表明中柱连接的破坏是由其他组件造成的。

2.3.3 螺栓直径

保证其他参数不变，通过改变螺栓直径，建立了C系列的模型，如表3所示，螺栓直径的范围M20-M30，螺栓对称布置，同时应满足构造要求：边距不能太大，避免端部翘曲;间距也不能太大，太大会造成连接中板件间接触不密实，进潮气使钢材锈蚀。借助ANSYA有限软件对不同的模型进行分析，得出的弯矩-转角曲线，如图11所示。

由图11知：当螺栓直径由16mm（C1）变化到27mm（C4）时转角及极限弯矩增加都不明显，这表明螺栓直径不控制连接的破坏，由其他组件造成节点的破坏。

当波折腹板高度、端板厚度和螺栓直径由小到大变化时，由图9-图11知：波折腹板钢梁中柱弱轴外伸端板连接表现出明显的半刚性;加载最初，M与？兹是线性关系;当M增加到一定程度时，连接变为非线性特征，M的增量随？兹的增大而减小，连接刚度有所降低;随着M的继续增加，梁柱连接进入强化阶段，即使M有微小的增加也会造成？兹明显的变大，最终会导致连接发生破坏。

3  结论

通过对波折腹板钢梁中柱弱轴外伸端板半刚性连接的研究，得出以下结论：

①当波折腹板高度增大时，连接节点的初始转动刚度也随之增大，只是增加的幅度在减小。这表明极限承载力相同时，梁腹板高度越大，梁的上下翼缘承受的拉力和压力越小，各组件的受力也越小，因此会出现上述情况。所以，适当的增大梁腹板高度可以达到提高极限弯矩的效果。

②端板厚度的变化规律可知：端板厚度较小时，弯矩-转角变化幅度很大，端板屈服造成连接节点的破坏，但端板厚度增加到一定数值后，连接节点破坏则由其他组件所决定，所以合理选择端板厚度既可符合刚度和耗能的要求，又可节省钢材。

③当螺栓直径由小到大变化时，对中柱连接节点的弯矩–转角曲线影响不大，故螺栓直徑不控制连接的破坏，由其他组件决定节点的破坏。

④当开始加载时，弯矩与转角呈线性关系;随着弯矩的变大，连接表现的特征为非线性，当弯矩增加到一定值时，梁与中柱的连接就会进入强化阶段，即使弯矩有微小增加也会导致转角显著变大，最终导致梁与中柱连接节点发生破坏。

参考文献：

[1]张哲，李国强，孙飞飞.波纹腹板H型钢研究综述[J].建筑钢结构进展，2008（6）：41-46.

[2]李清扬，孟丽丽，李颖，等.波纹与平腹板H型钢吊车梁特征值屈曲分析[J].煤炭工程，2013（6）：108-110.

[3]范昕，李国强，孙飞飞，张哲，等.波纹腹板H型钢刚接节点静力性能[J].土木建筑与环境工程：2013，35（4）：47-55.

[4]李清扬，任玉卓，刘远鹏，等.波纹腹板H型钢梁柱半刚性外伸端板连接性能研究[J].施工技术，2015，44（20）：96-99.

[5]孙飞飞，戴晓欣，朱奇，李国强，等.波纹腹板H形钢空间节点静力性能研究[J].建筑钢结构进展：2017，19（1）：71-77.

[6]李清扬，孙建颖，刘远鹏，王刚，等.波折腹板钢梁柱弱轴半刚性连接性能研究[J].钢结构，2015，44（20）：96-99.

[7]范昕，李国强，孙飞飞，等.波纹腹板H型钢梁柱端板螺栓连接节点抗弯性能[J].同济大学学报：自然科学版，2014，42（7）：1017-1023.

[8]CECS 291：2011波纹腹板钢结构技术规程[S].北京：中国计划出版社，2011.

[9]JGJ 82-2011 钢结构高强度螺栓连接技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[10]CECS 51022：2015 门式刚架轻型房屋钢结构技术规范[S].北京：中国计划出版社，2016.