箱型柱与H型梁节点在设和不设加劲板时受力性能的分析_H柱
时间：2019-01-21 03:37:32 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
引言:本文选用ansys10.0有限元软件进行模拟分析,分为不加加劲板与设置加劲板两组模型,进行加载与对照分析。通过分析其计算结果,考察两组模型的承载力和刚度,变形,以及总体受力行为的变化,分析加劲隔板的加设对节点强度和刚度的提高作用。
一、有限元建模的建立与求解
(一)几何模型的建立
共建立六个有限元模型,选取HN250X125X6X9作为框架梁,并选取不同宽度和厚度的常用箱型截面柱作为框架柱。下文为方便描述,将柱截面为250mm×9mm,250mm×18mm,250mm×27mm,250mm×36mm的节点统称为H250组;同样将柱截面为500mm×18mm,500mm×27mm,500mm×36mm的节点统称为H500组。
受力模型选取边框架子结构,柱高H=3000mm,梁长L=1500mm。(不考虑地震作用,假设反弯点位于梁端部)。分别建立不加加劲板与设置加劲板两组模型。(注:本文中加劲板采用与梁柱相同的材料,厚度为10mm)
(二)材料的本构关系
所用的构件材料均为Q235钢,本构模型采用三折线模型,考虑强化阶段。强化段Est=0.02E,泊松比ν=0.3,极限强度fμ=275N/mm2极限应变εμ=4.8%。
(三)单元类型与网格划分
本文选取shell181单元进行建模分析。shell181单元有四个节点,每个节点有三个平动自由度和转动自由度,同时拥有薄膜刚度和弯曲刚度。在加设劲板组中,加劲板同样采用shell181单元。
(四)模型的边界条件与荷载的施加
本文采用框架柱简支,框架梁自由外伸的力学模型,并利用ANSYS进行非线性分析。外荷载采用多步加载的方式,首先在柱端施加均布压力,σ=N/A=0.3σy;然后在梁端于上翼缘施加沿Y轴负方向的集中力,大小视具体模型和是否加设劲板而定。最后,运用ANSYS自带的非线性多步求解的求解器进行计算。
二、有限元结果及其分析
弯矩―转角曲线图中的弯矩为梁弯矩,M=F×L。梁端转角θ=δ/L,其中,F为梁端施加的集中力,δ为梁端挠度。
(一)不加设加劲板时节点的整体评价
(1)弯矩―转角曲线的评价
图3.1.1和图3.1.2是根据有限元计算结果绘制的不加设劲板是模型的转角位移曲线。可以看出,节点的极限承载力和刚度均随框架柱截面厚度加大而提高。具体来看,随着厚度的增加(9mm,18mm,27mm,36mm),H250组节点的屈服弯矩分别增加112.0%,24.4%,0.0%,同时屈服转角减少76.8%,62.0%,27.3%。H500组节点(厚度为18mm,27mm,36mm)屈服弯矩分别增加45.2%,4.7%,同时屈服转角减少80.3%,61.0%,可见框架柱厚度的增加对于柱厚较小的节点的承载力提高十分明显,而壁厚较大时,承载力的提升十分有限。框架柱截面宽度对承载力的影响则较小,且这种影响是不确定的。从弯矩―转角图和承载力表中可以看出,等厚度不同柱宽的节点间的屈服弯矩和屈服转角比较接近,当柱厚较小时(18mm)随柱宽增大,承载力和刚度都下降,而柱厚较大时(大于等于27mm)随柱宽加大两者都略有上升,但总的来说这种变化不明显。
(2)应力分布和变形特点
利用ANSYS软件自带的功能绘制出结构在极限状态(最后一步收敛的荷载子步)时的von Mises应力变形图。先考察H250组节点的破坏情况。对于柱截面为250X9的节点,高应力区出现在框架柱表面靠梁翼缘处,而梁的最大应力才刚过材料的屈服极限,破坏时节点发生较大变形,梁端向下挠曲,梁身出现扭转,表现为弯扭破坏。随着柱壁加厚,高应力区逐渐向梁翼缘转移,破坏时的变形逐渐减小。这种变化趋势十分明显,直至柱截面为250X36的节点,破坏时梁翼缘靠近节点处出现大面积高应力区,而此时柱表面甚至未达材料的屈服强度,变形相对不明显,为弯曲破坏。
对于H500组节点,破坏时的应力分布特点和变化趋势和H250组节点十分类似,变形特征,基本一致。
(二)加设加劲板后节点的整体评价
(1)弯矩―转角曲线的评价
从弯矩―转角曲线(图3.2.1和图3.2.2)中可以看出,H250组和H500组加设加劲板后各节点的承载力和刚度都比较接近,曲线几乎重合。此时柱宽和柱厚的变化对节点承载力和刚度的影响已经不大。
(2)应力分布和变形特点
由加设加劲隔板后,H250组节点的von Mises应力变形图可知。高应力区出现在梁翼缘处靠节点区域,框架柱外壁靠梁柱节点周围区域的应力随柱厚的增大而减小,总的来说应力基本都不大,未达材料的屈服强度。破坏时都是由于梁端向下挠曲,发生弯曲破坏,最终变形不大。
H500组节点的应力分布和变形特点基本类似。
(三)未设劲板与加设加劲隔板节点组的对比评价
(1)承载力和刚度
对比H250组节点加设加劲隔板前后的弯矩―转角曲线,节点设置加劲板后,屈服弯曲分别提高了156.4%,25.3%,2.1%,2%,屈服转角减少了90.1%,67.7%,25.0%,6.7%,可见,加设加劲板后,节点的强度和刚度都有提升。柱壁厚度较小时,加劲效果比较明显,而柱厚较大时,这种提升不太显著。H500组节点有类似结论。
(2)应力分布和变性特征
未设加劲隔板时,危险应力区随箱形柱厚的增加由柱壁表面向梁翼缘转移;而加设加劲板后,即使柱厚较小的节点,柱表面的应力仍不很大,一般都未到材料的屈服强度,危险应力区出现在梁翼缘区域,,可见加劲板对于改善较小柱厚节点区域的应力分布效果十分明显,加强了箱形柱四面的连接作用和协同受力,对于梁翼缘周围的柱壁有很好的拉结作用,对比可知,柱表壁的外挠变形明显减小。而柱厚较大时,这种加劲效果不明显,两组节点的破坏主要都是梁的弯曲破坏。
作者单位:重庆大学
参考文献:
[1]中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范(GB50017―2003).中华计划出版社,2003.
[2]中华人民共和国行业标准.高层民用钢结构技术规程(JGJ99―98).中国建筑学工业出版社,1998.
[3]王飞.箱形柱与工字形梁连接节点中水平加劲隔板设置的条件.重庆大学硕士生毕业论文,2007.
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