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(课题研究)ANSYS 在钢结构螺栓端板连接中的应用

2018年04月15日 浏览:84 评论:0

摘要:运用 ANSYS 对 8 个不同形式、不同构造的钢框架梁柱螺栓端板连接进行了非线性有限元分析。 采用 PSMESH 在高强度螺栓中建立预拉面,并施加预拉力;通过创建接触对模拟端板和柱翼缘 之间的接触。弯矩-转角曲线、弯矩-剪切转角曲线与实验的对比说明了,运用 ANSYS 软件能 够很好地分析计算各种形式、各种构造的钢结构梁柱螺栓端板连接,为下一步进行大量的梁柱端 板连接有限元计算提供了正确性依据。而这必将大大减少端板连接实验研究工作量,降低成本, 节约时间,同时,还能够获得目前试验中不能直接测量得到的结果。

关键字:梁柱节点;端板连接;有限元分析;非线性;ANSYS

近十几年来,多层钢框架和门式刚架轻型房屋钢结构在我国广泛应用,端板连接也随 之在工程中大量采用。梁柱节点的受力特性对钢框架的受力特性有很大影响。当同时考虑P-Δ效应时,节点变形可能导致钢框架产生较大的水平侧移[1]。对于大多数梁柱连接节点, 与转动变形相比,轴向变形与剪切变形都很小,因此,从实用的目的,只需考虑连接的转 动变形[2]。转动变形习惯用连接弯矩的函数来表达。

在很多情况下,钢结构端板连接属于半刚性连接[3]。对于半刚性连接,欧洲规范要求 有节点的弯矩—转角(M-φ)设计曲线作为依据,且能够承受设计的内力[4]。我国钢结构设计 规范提出:梁与柱的半刚性连接只具有有限的转动刚度,在承受弯矩的同时会产生相应的 转角,在内力分析时,必须预先确定连接的弯矩—转角(M-φ)特性曲线,以便考虑连接变 形的影响。但是,规范并没有给出半刚性连接的具体设计计算方法[5]。所以,研究半刚性 连接弯矩—转角(M-φ)特性就显得很有必要。

但是,端板连接由于自身的构造特点,其具体的构造形式种类繁多,可变的几何参数 也很多,例如:平齐式和外伸式、外伸式端板在梁受拉翼缘一侧外伸或者在梁上下翼缘两 侧均外伸、节点域有无加劲肋、端板外伸部分有无加劲肋、螺栓的行数和列数、端板厚度、 螺栓直径和等级、螺栓预拉力的大小、螺栓的位置、梁柱截面尺寸、端板摩擦面的抗滑移 系数等等。所以,要想完全通过试验来确定各种形式和构造的端板连接的弯矩—转角(M-φ)特性很难实现。

而且,端板连接中很多受力特性,例如:螺栓的具体受力状态和受力大小、柱翼缘和 端板之间的接触状态、摩擦力的大小和分布、节点变形具体来源、端板变形状态、杠杆力 的大小和分布等等,在现有的试验测量技术条件下,很难通过试验测量得到试验结果。

随着有限元理论和计算机技术的发展,对端板连接的受力特性进行非线性有限元计算 成为可能。而且,有限元计算一旦经过试验验证,将是一种获得端板连接受力特性的安全、 可靠、合理、便捷而且经济的方法,能够很好地弥补试验测量条件的局限性,从而获得对 钢结构端板连接受力特性更准确、更全面的认识。目前,国外已有一些运用有限元软件对 钢结构端板连接进行分析计算的研究成果。Sherbourne 等人运用 ANSYS 4.4,采用三维模型,考虑了端板的接触问题,分别对 34 个柱上设置加劲肋和 19 个无加劲肋的外伸式端板

连接进行了弹塑性分析,但是,其研究仅限于端板仅在梁翼缘一侧外伸的端板连接[6][7]。 本文运用更高版本的 ANSYS 软件,采用更加合理和精确的单元,对多种形式和构造的端板连接进行了有限元分析计算,并且给出了与试验结果的对比分析。


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