王翠翠
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摘要：文章以梁柱T型连接节点为例,对新型钢结构梁柱连接点展开力学分析,主要探究了钢结构梁柱T型连接构件的翼缘板厚度、螺栓直径与设置位置变化对连接节点变性能力与破坏形态的影响。结果表明,改变翼缘板厚度与螺栓直径会对连接节点的承载力、变性能力与破坏形态产生影响,在两参数增大的条件下,T型连接节点的承载力均有所提升。
关键词：T型连接节点;?承载力;?变形能力;?破坏形态;
对于钢结构来说,其自身质量较轻、可以循环利用且施工速度更快,因此在当前的建筑工程中得到了广泛应用。目前,央视大楼、上海环球金融中心等建筑中均使用了钢结构。其中,梁柱连接点对钢结构的稳定性、强度有着极大的影响,受到了人们的重点关注。因此,本文以梁柱T型连接节点为例,对其展开力学性能分析。
1 有限元模型的建立
1.1 试件设计
在本次研究中,主要选择了钢结构梁柱T型连接节点作为分析对象,使用有限元结构分析软件完成10个T型连接节点的简化模型设计。在静力荷载的作用下,对相应连接节点模型展开力学性能分析。研究中,主要对T型连接构件的翼缘板厚度、螺栓直径与设置位置进行变化,将其设定为变化参数,确定其连接节点力学性能的现实影响。
1.2 单元的选择及网格划分
应用十结点六面体单元完成高强螺栓与T型连接构件的模拟;将三维接触单元中设置于螺栓头与翼缘板、螺母与翼缘板、孔壁与螺栓杆之间;设定滑移摩擦系数为0.45。
在本次研究中,螺栓头、螺母、垫片均涵盖在高强螺栓头的范畴内,因此不对垫片的厚度展开单独考量,直接将其在螺母与螺栓头厚度中完成计算。同时,在实际的模型构建过程中,忽略螺纹所产生的影响,直接将其设置为圆柱体完成模拟,并在有限元分析软件中完成网络划分,完成高强螺栓模型、T型连接节点的简化模型、预拉力单元模型的构建。
1.3 材料特性
在本次T型连接节点的力学分析中,应用了Q235钢以及强度等级达到10.9级的高强螺栓。同时,主要将弹性模量控制在2.06×105?MPa。使用多线性随动强化三折模型完成对钢材料本构关系的模拟;将屈服强度设定为235 MPa,其中,只有在板厚度超过16 mm时控制屈服强度在225 MPa;将极限强度设定为460 MPa,其中,只有在板厚度超过16 mm时控制极限强度在450 MPa;将屈服应变设定为0.114×10-2;将极限应变设定为12×10-2。
使用三折线应力-应变曲线表现高强度螺栓的材料特性,具体有:当应变在1～2倍屈服应变的范围内时,表明高强度螺栓正处于初始硬化阶段;当应变在2～8倍屈服应变的范围内时,逐渐达到极限应力。
1.4 静力加载
本次试验中,在T型连接节点的腹板中选取一端,在其中施加3个方向(这3个方向相互垂直,即X轴、Y轴、Z轴方向)施加固定约束;相对应的,在T型连接节点腹板的另一端展开截面区域内所有节点的位移耦合(范围为平面内),同时将轴向荷载施加在耦合面的主节点中。这样的加载模式主要依托位移完成对静力加载的控制。
可以将实际的加载操作划分为两部分,在第一部分中,主要落实螺栓预拉力的施加,预应力的施加依托单一的荷载子步实现。在第二部分中,逐步展开轴向位移荷载的施加,使用复数的荷载步实现。具体操作为:将初始位移荷载设定为2 mm,荷载的增加量控制在2 mm,实施逐级增加荷载的方式,直至试件损坏后停止。实践中,当进入第三荷载步后,引入大变形经静力分析,并依托复数个荷载子步实施加载;利用共轭梯度法完成求解。在本次研究中,M16的预拉力设计值控制在100 kN;M20的预拉力设计值控制在155 kN。
2力学性能分析结果
2.1 翼缘板厚度因素与承载力之间的关系分析
在本研究中,使用试件1、试件2与试件3完成翼缘板厚度的参数变化,具体情况见文章第二模块,得到的试验结果如下所示。
对于试件1来说,在对高强度螺栓完成预拉力的施加后,两侧翼缘板表现出紧密接触的状态;在施加的荷载提升至493.2 kN后,两侧翼缘板依旧表现出贴合状态,且基本不存在缝隙;在施加的荷载超过493.2 kN后,两侧翼缘板(翼缘与腹板)之间能够观察到缝隙,且这一缝隙的宽度随着施加荷载的增大而增大;在施加的荷载提升至522.3 kN后,两侧翼缘板之间存在明显缝隙,且能够观察到翼缘板变形的情况(塑性变形),且在荷载进一步增大的情况下,这样的变形更为明显;在施加的荷载达到561.9 kN后,两侧翼缘板之间能够观察到“张口”形变,此时螺栓颈缩现象明显,表示该构件无法继续承载。总体来说,在翼缘板与高强螺栓的强度具有一致性时,施加荷载后,两者的伸长量与极限承载力基本一致;产生破坏后,翼缘板发生塑性变形、高强螺栓断裂。
对于试件2来说,在对高强度螺栓完成预拉力的施加后,两侧翼缘板表现出紧密接触的状态;在施加的荷载提升至273.3 kN后,依托肉眼可以观察到两侧翼缘板的变形;在施加的荷载超过273.3 kN后,两侧翼缘板的变形情况更加严重,整个试件进入屈服承载力状态;在施加的荷载提升至384.5 kN后,两侧翼缘板的形变增大,且能够观察到“张口”形变,此时螺栓颈缩现象明显,表示该构件无法继续承载。总体来说,当翼缘板厚度较低、螺栓直径较大时,施加荷载后,翼缘板的变形量高于螺栓的伸长量,螺栓在翼缘板的边缘产生撬力作用;产生破坏后,翼缘板与螺栓相接触的区域可以用肉眼观察到极为明显的塑性变形。
对于试件3来说,在对高强度螺栓完成预拉力的施加后,两侧翼缘板表现出紧密接触的状态;在施加的荷载提升至420.7 kN后,两侧翼缘板依旧表现出贴合状态,且基本不存在缝隙;在施加的荷载提升至538.7 kN后,肉眼可以观察到两侧翼缘板的变形,螺栓颈缩;在施加的荷载提升至598.6 kN后,螺栓杆发生断裂。
总体来说,当翼缘板刚度大于螺栓刚度时,在施加荷载的情况下,翼缘板不会发生变形情况;但是螺栓的伸长量会随着荷载的增加而增加,一旦伸长量超过极限值后,螺栓会发生断裂;在螺栓断裂时,翼缘板依旧稳定在弹性阶段。
2.2螺栓直径因素与承载力之间的关系分析
对于试件4来说,在对高强度螺栓完成预拉力的施加后,两侧翼缘板表现出紧密接触的状态;在施加的荷载提升至448.1 kN后,两侧翼缘板依旧表现出贴合状态,且基本不存在缝隙;在施加的荷载超过448.1 kN后,整个试件逐渐进入屈服承载力状态;在施加的荷载提升至601.2 kN后,两侧翼缘板之间存在肉眼可见的变形,腹板存在屈服变形;在施加的荷载提升至635.6 kN后,腹板不宜继续承载。与试件1的变形情况进行对比能够得出,随着高强螺栓直径的不断增加,试件的变形能力表现出下降趋势,且破坏形态也发生改变。此时的破坏形态并不是翼缘板与螺栓破坏,而转变为腹板破坏。
2.3 螺栓位置因素与承载力之间的关系分析
将试件5与试件6的变形情况与试件1进行对比,能够得出:在对高强度螺栓完成预拉力的施加后,3个试件的变形情况基本一致,且变形能力与破坏形态也表现出了高度相似的情况,最终呈现出螺栓断裂、翼缘板形变过大。总体来说,依托螺栓至翼缘板边界距离的调整,无法对试件的变形能力与破坏形态产生变化。
3总结
综上所述,在翼缘板厚度增大的条件下,施加荷载后其变形能力下降,破坏形态逐渐由翼缘板破坏转变为螺栓杆断裂;在螺栓直径增大的情况下,试件的变形能力下降,破坏形态逐渐由翼缘板与螺栓破坏转变为腹板破坏;依托螺栓横向间距、螺栓中心至翼缘板侧边界距离的调整,无法对试件的变形能力与破坏形态产生变化。
参考文献
[1]喻露.设置垫板的钢结构梁柱T形件连接节点滞回性能的有限元分析[J].贵州大学学报(自然科学版),2018,35(04):90-95.
[2]余飞,徐超.新型钢结构梁柱端板加强型节点有限元分析[J].低温建筑技术,2018,40(05):70-73.