鋼結(jié)構(gòu)中焊接、栓接、栓焊混合連接節(jié)點(diǎn)非線性分析

目前，我國(guó)對(duì)大型模塊族結(jié)構(gòu)的研究尚處于初步階段。它具有較低的生產(chǎn)周期長(zhǎng)、抗疲勞防滑、建筑裝置靈活、使用面積大、綜合經(jīng)濟(jì)效益好、舒適度高等優(yōu)點(diǎn)。在模塊化裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)中梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要充分考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)的可裝配性,同時(shí)又要保證節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、剛度、延性等各向力學(xué)性能,加之目前在我國(guó)裝配式鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域應(yīng)用較多的梁柱節(jié)點(diǎn)形式大多為桁架梁-柱節(jié)點(diǎn),對(duì)這種節(jié)點(diǎn)的理論分析比較少,所以相對(duì)于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)中的實(shí)腹式梁柱節(jié)點(diǎn),模塊化裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)中的桁架梁-柱節(jié)點(diǎn)的理論分析和模擬十分必要。本文通過對(duì)焊接、栓接和栓焊混合連接這三種裝配式鋼結(jié)構(gòu)中常見的梁柱節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行靜力分析和滯回分析,以研究3種節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能以及它們之間的比較。1模型描述1.1連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造3種節(jié)點(diǎn)的主要組成部分都包括箱型柱、柱座及桁架梁段,箱型柱法蘭與柱座法蘭通過M24高強(qiáng)螺栓連接。這三部分的基本尺寸見表1。焊接節(jié)點(diǎn)柱座和桁架梁全部為工廠焊接連接,在結(jié)構(gòu)整體與裝配前,焊接節(jié)點(diǎn)是拼接板塊成型的重要部分。此次模擬的焊接節(jié)點(diǎn)具體構(gòu)造如圖1所示。栓接節(jié)點(diǎn)的上、下部分采用T形蓋板與桁架梁連接,桁架梁相當(dāng)于實(shí)腹梁的腹板部分采用貼板連接,且3種構(gòu)件全部采用S10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓連接,其中弦桿與蓋板連接處為M24,貼板連接處為M20。采用栓接節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)施工時(shí)的板塊裝配,具體構(gòu)造如圖2所示。在大板拼接時(shí),栓焊混合節(jié)點(diǎn)是由栓接的單角鋼桁架梁與焊接的單角鋼桁架梁拼接形成的,梁端豎向連接板處的高強(qiáng)螺栓為M20,具體構(gòu)造見圖3。1.2高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力的網(wǎng)格劃分采用大型通用有限元軟件ABAQUS對(duì)3種節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜力分析和滯回性能分析。3種節(jié)點(diǎn)的單元類型都為實(shí)體單元,具體的網(wǎng)格劃分根據(jù)每種節(jié)點(diǎn)各自的特點(diǎn),采用不同的劃分方式(如圖4)。其中,未對(duì)高強(qiáng)螺栓建模,而是采用等效力法,將高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力等效成壓強(qiáng)荷載施加于接觸板件的有效面上,在接觸面上定義摩擦接觸,摩擦系數(shù)取為0.35。在加載點(diǎn)處,建立剛體墊塊和剛體傳力構(gòu)件用以施加和傳遞豎向荷載。在上柱、下柱的端部施加固定支座的邊界條件。1.3應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系3種節(jié)點(diǎn)的鋼材型號(hào)均為Q235B,彈性模量取為2.1036×105MPa,泊松比取為0.28,密度取為7.8×103kg/m3。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖5所示,計(jì)算中采用von-Mises屈服準(zhǔn)則及相關(guān)流動(dòng)法則。因?yàn)椴]有建立高強(qiáng)螺栓的模型,而是采用等效力法,故不用考慮高強(qiáng)螺栓的材料問題。2分析的結(jié)果2.1栓焊混合連接節(jié)點(diǎn)靜力分析主要有以下兩個(gè)方面:1)3種桁架梁-柱節(jié)點(diǎn)的傳力路徑和破壞機(jī)理。2)3種節(jié)點(diǎn)在破壞時(shí)的應(yīng)力分布和極限承載力。不考慮初始缺陷,在3種節(jié)點(diǎn)的加載點(diǎn)處施加豎向荷載,得到3種節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力云圖,如圖6所示。通過靜力加載后的應(yīng)力云圖可以看出,對(duì)于桁架梁-柱節(jié)點(diǎn),由于沒有實(shí)腹式梁-柱節(jié)點(diǎn)中受剪力的腹板,所以在加載過程中,3種節(jié)點(diǎn)的桁架梁上、下弦桿在靠近節(jié)點(diǎn)的端部應(yīng)力值增長(zhǎng)較快,最先達(dá)到屈服應(yīng)力。整個(gè)桁架梁弦桿從加載點(diǎn)處到節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力值逐漸增大,靠近節(jié)點(diǎn)的腹桿應(yīng)力值要高于另外1根腹桿的應(yīng)力值,在弦桿端部屈服后,靠近節(jié)點(diǎn)的腹桿上端隨后出現(xiàn)屈服,此時(shí)3種節(jié)點(diǎn)加載點(diǎn)處的豎向位移明顯增大,可視為整個(gè)節(jié)點(diǎn)達(dá)到屈服極限。但是,焊接節(jié)點(diǎn)由于桁架梁端與柱座為純焊接,桁架梁的整體剛度明顯要大于栓接節(jié)點(diǎn)和栓焊混合連接節(jié)點(diǎn),荷載能夠更好地向柱座傳遞,導(dǎo)致柱座的部分區(qū)域出現(xiàn)屈服,桁架梁本身的彎曲變形并不明顯,節(jié)點(diǎn)由桁架梁弦桿和柱座相連處共同承力,節(jié)點(diǎn)域受力較均勻,但并不滿足“強(qiáng)柱弱梁”的抗震要求。栓接節(jié)點(diǎn)在蓋板與桁架梁弦桿相連處形成了一個(gè)較好的耗能區(qū),在這一區(qū)域內(nèi)荷載通過摩擦傳遞到上、下蓋板,但無(wú)論是上、下蓋板還是柱座,相較于桁架梁應(yīng)力值都不大,而且桁架梁弦桿在靠近節(jié)點(diǎn)端部以及豎向貼板處有明顯的變形,這種連接方式使得桁架梁的應(yīng)力值明顯高于節(jié)點(diǎn)域的應(yīng)力值,有力地保護(hù)了節(jié)點(diǎn)域。栓焊混合連接節(jié)點(diǎn)的傳力路徑和破壞機(jī)理與栓接節(jié)點(diǎn)相似,但是栓焊混合連接節(jié)點(diǎn)桁架梁在加載點(diǎn)一端有一定程度的平面外扭轉(zhuǎn),如圖7所示,這是因?yàn)殍旒芰阂话肱c柱座焊接,一半與柱座通過蓋板栓接,兩片桁架梁的剛度不同以及傳力不均勻的緣故。通過圖8可以看出,3種節(jié)點(diǎn)在整體屈服時(shí)梁端加載點(diǎn)處的豎向位移相近,都為20mm左右,但3種節(jié)點(diǎn)的屈服荷載和極限荷載明顯不同,這是因?yàn)楹附庸?jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)剛度最高,故其承載能力最強(qiáng),而栓焊混合連接節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生了平面外的扭轉(zhuǎn),也即發(fā)生了平面外失穩(wěn),這導(dǎo)致其承載能力不高,并且降低很快。2.2節(jié)點(diǎn)的延性分析在原有有限元模型的基礎(chǔ)上,對(duì)模型施加循環(huán)往復(fù)荷載,根據(jù)靜力加載過程,對(duì)于焊接節(jié)點(diǎn)取屈服荷載為260kN,對(duì)于栓接節(jié)點(diǎn)取屈服荷載為220kN,對(duì)于栓焊混合連接節(jié)點(diǎn)屈服荷載取為180kN。在每種節(jié)點(diǎn)的屈服荷載前按照力控制加載,每級(jí)加載20kN,屈服以后按照位移控制,每級(jí)取屈服位移值10mm加載,得到3種節(jié)點(diǎn)的P-Δ曲線和骨架曲線,如圖9、圖10所示。由圖9、圖10可見,焊接節(jié)點(diǎn)和栓焊混合連接節(jié)點(diǎn)的滯回曲線比較飽滿,呈梭形,說明這兩種節(jié)點(diǎn)的塑性變形能力很強(qiáng),具有良好的抗震性能和耗能性能,且在達(dá)到屈服荷載以后,兩種節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)明顯的剛度退化。整個(gè)加載過程中并未出現(xiàn)焊縫開裂和高強(qiáng)螺栓接觸面滑移。栓接節(jié)點(diǎn)在位移控制加載到50mm時(shí),節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)破壞,主要是貼板接觸面出現(xiàn)較大滑移,導(dǎo)致桁架梁變形過大,如圖11所示。這說明栓接節(jié)點(diǎn)的抗震性能和耗能能力比焊接節(jié)點(diǎn)、栓焊混合連接節(jié)點(diǎn)有明顯降低。因此貼板處的高強(qiáng)螺栓數(shù)量和型號(hào)應(yīng)該加強(qiáng)。結(jié)合3種節(jié)點(diǎn)的滯回曲線,按照公式u=Xu/Xy(Xu為構(gòu)件破壞時(shí)的加載點(diǎn)位移;Xy為構(gòu)件屈服時(shí)的加載點(diǎn)位移)計(jì)算焊接節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)為uh=7,栓接節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)us=5,栓焊混合連接節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)ush=7。表明3種節(jié)點(diǎn)的延性性能均比較強(qiáng)。通過骨架曲線可以看出,3種節(jié)點(diǎn)在屈服后節(jié)點(diǎn)剛度退化比較快,延性發(fā)展比較好。綜合靜力和擬靜力分析結(jié)果,3種節(jié)點(diǎn)的主要性能參數(shù)見表2。3栓焊節(jié)點(diǎn)的延性能力1)焊接節(jié)點(diǎn)極限承載力最高,節(jié)點(diǎn)的延性能力較好,但不能實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”,塑性變形集中在桁架梁端,未能實(shí)現(xiàn)塑性鉸外移。2)栓接節(jié)點(diǎn)的貼板連接強(qiáng)度不夠,導(dǎo)致滯回加載中開