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钢梁柱弱轴连接的有限元分析

发布于:2016-02-14 19:53
有限元分析

      弱轴连接的有限元分析半刚性连接具有良好的变形能力,可以调整弯矩在结构中的分配,从而使结构更经济合理。近十年来有关钢框架半刚性连接的研究很多,但基本上限于梁柱的强轴连接,对弱轴连接的研究相对较少。连接是钢框架的重要组成部分,其性能影响结构的整体性能,因此钢结构分析应当考虑连接的非线性,对于空间框架结构来说,则必须考虑梁柱节点弱轴连接的弯矩-转角特性。目前一些国家的规范对半刚性连接的设计有了规定,但针对各类弱轴连接的具体计算尚不明确。
      有限单元法早已用于结构性能研究,国内外许多研究者利用大型有限元程序对多种类型的连接进行了分析,取得了很好的效果。为进一步研究弱轴半刚性连接的性能,本研究对钢梁柱半刚性节点顶底角钢弱轴连接进行了三维非线性有限元分析,分析的重点是此类连接的承载能力、受力机理、变形特点、破坏模式和接触状态的稳定性。
      为与试验结果相对比,本研究的有限元分析以试验试件为基本模型。试件的尺寸见图,弱轴梁通过顶底角钢和高强度螺栓与柱腹板相连,弱轴梁与柱腹板之间的间隙为15mm。试件采用国产H型钢,钢材为Q235B型,柱选用HW300×300×10×15截面,弱轴连接梁选用HN300×150×5.5×8截面。柱的高度取为1900mm。柱弱轴方向的梁全长1400mm,其悬臂端加载点至柱腹板中心1300mm。顶底角钢选用等边角钢L125×12,宽度和连接梁宽度相同。螺栓选用10.9S级M20高强度螺栓,螺栓孔直径22mm。
试验主要包括3个钢梁柱顶底角钢弱轴连接单向加载试验(试件分别编号BDRB-1、BDRB-2、BDRB-3,试验装置见图2)和相应的钢板材性试验、摩擦型高强度螺栓摩擦面连接抗滑移系数试验。顶底角钢弱轴连接单向加载试验开始之前将梁柱构件连接,并对高强度螺栓施加预拉力,预拉力大小按照GB50017—2003《钢结构设计规范》的规定施加,大小为155kN,将柱构件竖立,柱端模拟铰接,柱顶由刚度很大的刚架提供侧向力,并利用千斤顶对柱施加轴向力;梁悬臂端用千斤顶施加集中荷载,梁翼缘与千斤顶之间使用刀口支座。试验时首先用千斤顶在柱顶施加300kN轴向力,随后在梁悬臂端用千斤顶施加单向集中荷载。顶底角钢弱轴连接单向加载试验的部分试验结果见表,更多的分析结果。
      本研究分析利用非线性功能强大、接触分析方便的大型有限元程序ANSYS V10.0。梁柱和角钢、螺栓采用了三维实体单元SOLID45,焊缝采用了三维实体单元SOLID95,摩擦单元包括CONTA174和对应的TARGE170单元,螺栓张拉力的施加通过预张拉单元PRETS179实现。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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