端板厚度对平齐端板半刚性连接钢框架受力性能的影响分析

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　　摘要：在荷载作用下，实际钢框架中梁柱连接节点的性能总是介于理想的刚接和铰接之间，为了合理正确地预测钢框架的实际受力性能，应在钢框架的分析和设计中考虑半刚性连接的影响。本文改变端板厚度，利用ANSYS模拟6个平齐端板连接半刚性钢框架在周期荷载作用下的受力性能，分析端板厚度对其框架侧移、层间位移、节点变形的影响规律。为平齐端板半刚性连接钢框架设计方法的建立提供有价值的参考数据。

　　关键词：端板连接,半刚性钢框架,层间位移,ANSYS

　　1 引言

　　钢结构因其重量轻、材质均匀;强度高、塑性韧性好;延性抗震性能好;施工速度快、施工工期短;构件截面小、结构净空大;密闭性好、制作简单;环保、综合经济指标好等众多优点，非常适合于高层建筑结构。国外200m以上的高层建筑，尤其在地震区，绝大部分采用钢结构[1]。大量的工程实践和试验研究证实，在荷载作用下，实际钢框架中梁柱连接节点的性能总是介于理想的刚接和铰接之间，为了合理正确地预测钢框架的实际受力性能，应在钢框架的分析和设计中考虑半刚性连接的影响。

　　本文改变端板厚度，利用ANSYS模拟6个平齐端板连接半刚性钢框架在周期荷载作用下的受力性能，研究端板厚度对其框架侧移、层间位移、节点变形、滞回性能的影响规律，并对端板厚度的选择提了一点建议。为平齐端板半刚性连接钢框架设计方法的建立提供有价值的参考数据。

　　2 有限元模型的建立

　　2.1 几何模型的建立

　　模型为一榀平面框架，一层层高为1.2m，二层、三层层高0.9m，跨度为1.25m。模型整体尺寸如图1所示，平齐端板半刚性连接钢框架的节点构造如图2所示。所有端板连接模型均设置节点域柱腹板加劲肋，加劲肋与梁翼缘取相同厚度。

　　本文分析了六个有限元模型，分别为B8、B12、B16、B20、B24、B28(数字代表板厚)。其中B16梁柱截面尺寸分别为：H200×200×8×12和H300×300×10×15，连接螺栓类型为M20。其它模型均以B16为标准，在其它参数不变的情况下，只改变端板厚度。

　　2.2 单元类型及材料属性

　　本文中梁、柱、端板等钢构件用三维八节点的SOLID45单元模拟，端板与柱翼缘之间的接触对选用与SOLID45相适应三维目标单元TARGE170和三维八节点的接触单元CONTA173模拟[2]。

　　模型材料参数参考山东科技大学顶底角钢腹板双角钢半刚性连接钢框架试验数据[3]。梁、柱与端板均采用Q235热轧H型钢，其应力-应变关系采用多线性随动强化模型。钢材屈服强度为280MPa，弹性模量为197000MPa，极限强度为390 MPa。高强螺栓选用10.9级摩擦型高强螺栓，利用文献[4]介绍的等效力法模拟高强螺栓的预拉力。所有材料均为各向同性，泊松比取0.3，端板摩擦面的抗滑移系数取0.45。

　　2.3 有限单元的划分

　　本章模型选用SOLID45单元，为了保证有限元模拟计算的精确性，减少计算单元，节省硬盘空间和内存，提高计算速度，模型划分为六面体单元，三个框架模型均采用人工四边形生成六面体单元网格划分。

　　2.4 边界条件及加载制度

　　约束柱底所有约束，考虑到模型几何尺寸与荷载的对称性，取一半模型进行有限元分析，在对称面施加对称约束。

　　在模型的三个柱顶分别施加大小为1000kN的集中荷载。周期荷载采用位移控制的加载方式对柱顶进行加载。本文采用ANSYS有限元软件中特有的荷载步和子步来实现，在不同阶段给位于框架顶点的节点施加已知的位移，R、WB16和B16模型的每级施加位移值分别取它们的屈服位移，每级荷载循环三次。

　　3 结果分析

　　3.1 承载力分析

　　框架在屈服和极限状态下的荷载和位移如表1所示。

　　从表1可以看出：随着端板厚度的增加，框架的屈服荷载和最大荷载均逐渐增大。这是由于随着端板厚度的增加，钢框架的侧向刚度逐渐增加，从而使得承载力逐渐增大。端板厚度由16mm增加至20mm时，增加最快，框架的屈服荷载由348.51kN (-352.56 kN)增加至385.62kN (-391.24kN)，增加值为37.11kN (-38.68 kN)，最大荷载由545.68kN (-548.85kN)增加至625.80kN (-631.57kN)，增加值为80.12kN (-82.72 kN)。

　　3.2 应力分析

　　由于不同端板厚度框架的应力变形发展过程较为类似，从应力发展可以看出：随着荷载的增加，右柱脚首先进入屈服，然后中柱脚和左柱脚依次进入屈服，最终均达到极限应力状态。最终破坏时，最大应力发生在柱脚处。另外，在达到极限状态时，顶层中柱节点域柱腹板应力也较大，最终也达到极限应力状态。

　　3.3 位移分析

　　从表2可以看出：在达到极限承载力时，钢框架均产生了较大的水平位移，且随着端板厚度的增加，钢框架的极限位移逐渐降低。分析原因，是因为随着端板厚度的增加，节点刚度逐渐增大，节点刚度的增大导致钢框架的整体刚度的增大，结果框架侧移越来越小。这说明节点刚度对钢框架的抗侧移能力有较大的影响，在梁柱尺寸、约束条件等相同的情况下，节点刚度越大，侧移越小，节点刚度越小，侧移越大。

　　由和表2还可以看出：当端板厚度较薄时，随着端板厚度的增加，钢框架侧移减小较快，如端板厚度由8mm增加至12mm以及由12mm增加至16mm时，侧移分别减小了10.04mm和7.48mm;当端板厚度较厚时，随着端板厚度的增加，钢框架侧移减小较慢，且越来越慢，如端板厚度由16mm增加至20mm、20mm增加至24mm、24mm增加至28mm时，侧移分别减小了3.19mm、1.21mm和0.72mm。分析原因可知：由于柱翼缘厚度为15mm，端板厚度为8mm和12mm时，当受到水平荷载时，节点变形较大，端板发生较大的屈曲变形，使得框架整体变形较大;端板厚度大于16mm时，节点处端板和柱翼缘厚度相同，节点刚度增加，端板屈曲变形相对较小，使得框架变形较小。

　　4 结论

　　(1) 随着端板厚度的增加，钢框架的侧向刚度逐渐增大，使得承载力逐渐增大。

　　(2) 不同端板厚度框架的应力变形发展过程较为类似，最终破坏时，破坏点发生在柱脚处。

　　(3) 节点刚度对钢框架的抗侧移能力有较大的影响，在梁柱尺寸、约束条件等相同的情况下，节点刚度越大，侧移越小，节点刚度越小，侧移越大。

　　(4) 不同端板厚度钢框架均具有较好的滞回性能，且随着端板的加厚，框架的刚度越来越大，框架的变形能力越来越小，滞回性能逐渐减弱。

　　参考文献

　　1. 陈富生, 邱国桦等. 高层建筑钢结构设计[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2000

　　2. 商跃进. 有限元原理与ANSYS应用指南[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005

　　3. 王国兵. 半刚性钢框架抗震性能的试验研究[D]. 青岛: 山东科技大学, 2007

　　4. 王春寒. 在ANSYS软件中高强螺栓预紧力的施加方法[J], 四川建筑, 2006, 26(1): 140-141

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