外伸端板节点有限元分析
带垫板外伸端板节点的有限元分析
图 1.3 节点模型
（a）节点模型
（b）端板、螺栓、垫板模型 图 1.4 有限元模型及主要构件
-3-
设高强螺栓本构关系为三线性模型，其余组件的本构关系均设为理想弹塑性模 型，应力应变关系采用材料试验结果 1 ，所有组件的泊松比取 0.3，采用 Von Mises 屈服准则、关联流动准则（金属材料通常符合关联流动法则） 3 以及随动 强化准则（可以反映包辛格效应，适用于循环加载） 3 。所有考虑接触面的摩擦 系数均设为 0.44 1 。
(a)静力加载荷载-位移（P- ）曲线
(b)静力加载弯矩转角（M- ）曲线
-4-
(c)静力加载弯矩-剪切转角(M- s )曲线 图 1.5 静力加载条件下试验与有限元计算结果对比
图 1.5 给出了 SC2 模型有限元模拟计算与文献 1 中 SC2 试验及模拟的结果曲 线。 表 1.2 汇总了能反映梁柱节点受力性能的重量特征量， 包括初始转动刚度 K i （即 M- 曲线的割线刚度） 、 极限承载力 Pu 、 极限弯矩 M u 、 梁端极限位移 u 、 极限转角 u 、极限剪切转角 su 等结果值。 根据图 1.5 的结果的对比，表 1.2 给出了 SC2 模型有限元计算结果和试 验结果的梁柱节点的初始转动刚度、极限承载力、极限弯矩承载力、梁端极限位 移、梁端极限转角以及节点极限剪切转角对比分析结果。
2 带垫板外伸端板连接的计算及分析
本节在上节 SC2 模型的基础上研究不同垫板厚度对不同的节点模型受力性 能的影响。 主要是考虑垫板节点模型受力性能的影响。受力性能主要包括节点初 始转动刚度 K i 、荷载 P -位移 曲线、弯矩 M -转角 曲线、梁端极限位移 u 、 极限承载力 Pu 、极限转角 u 、极限剪切转角 sat 等。加载方式和前文中 SC2 模型 的加载一样，在单调静力加载条件下研究节点的力学性能的变化情况。
《弯扭荷载下外伸端板连接节点受力性能有限元分析》范文
《弯扭荷载下外伸端板连接节点受力性能有限元分析》篇一一、引言在现代建筑结构中，外伸端板连接节点作为一种常用的结构连接方式，其承载能力和受力性能的评估对于确保建筑结构的安全性和稳定性至关重要。
在弯扭荷载作用下，外伸端板连接节点的受力性能受到多种因素的影响，包括材料性能、几何尺寸、连接方式等。
为了更准确地了解其受力性能，本文采用有限元分析方法对外伸端板连接节点进行深入研究。
二、有限元分析方法有限元分析是一种常用的数值模拟方法，通过将连续体离散化为有限个单元的组合体，来模拟结构的力学行为。
在本文中，我们采用有限元软件对弯扭荷载下的外伸端板连接节点进行建模和分析。
三、模型建立与参数设置1. 模型建立：根据实际工程中的外伸端板连接节点，建立相应的有限元模型。
模型应包括端板、连接件、支撑结构等主要组成部分。
2. 材料属性：根据实际使用的材料，设置模型的弹性模量、泊松比、屈服强度等材料属性。
3. 网格划分：对模型进行合理的网格划分，确保计算的准确性和效率。
4. 荷载设置：设置弯扭荷载，模拟实际工作条件下的荷载情况。
四、结果分析1. 应力分布：通过有限元分析，得到外伸端板连接节点在弯扭荷载作用下的应力分布情况。
分析最大应力、最小应力及应力变化趋势，了解节点的受力特点。
2. 变形情况：观察节点在荷载作用下的变形情况，分析变形与荷载之间的关系，评估节点的刚度。
3. 破坏模式：通过有限元分析，预测节点的破坏模式，了解节点在弯扭荷载下的薄弱环节，为优化设计提供依据。
4. 参数影响：分析材料性能、几何尺寸、连接方式等参数对节点受力性能的影响，为实际工程提供参考。
五、结论通过对外伸端板连接节点在弯扭荷载下的有限元分析，可以得到以下结论：1. 应力分布：节点在弯扭荷载作用下，应力分布不均匀，存在明显的应力集中现象。
最大应力出现在节点关键部位，需重点关注。
2. 变形情况：节点在荷载作用下产生一定的变形，变形与荷载之间呈正比关系。
外伸端板连接节点受力性能有限元分析共31页文档
6
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露
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高
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7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
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吁
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身
后
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浮
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9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
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11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
外伸式端板螺栓连接节点的有限元分析
ｍｉ ｌ ｌ
端板
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ｈ ｂ ｘ ｔ × ｔ ｌ ｘ ６ ，
直径叱 厚度
上的节点连接形式称为端板螺栓 连接 ， 当端板伸 出梁 高范 围之外 时称为外伸式端板 螺栓 连接 ＿ ２ Ｊ 。端 板螺 栓连 接属 于抗 弯连 接的
外 伸 式 端 板 螺 栓 连 接 节 点 的 有 限 元 分 析★
李
摘
丰
高磊磊
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（ 河 南工程学院土木工程 系， 河南 郑州
要： 利 用有 限元 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ对外伸式端板螺栓连 接节点受 力性能进 行 了分析 ， 从 改变端板 厚度和 螺栓 直径方 面进行 了节点 受力
Ｈ ３ ０ ０ ×１ ６ Ｏ ×８× １ ２ Ｈ３ ０ ０×２ ５ ０× ８ ×１ ２ ｌ ８
０ 引言
梁柱节点连接是 门式 刚架结 构 和多层 钢框 架结 构研 究设 计 组号 编号 中重要 内容之一 ， 节点连接 的可靠性 和有效性对 结构 整体性 能影 第 Ｂ ０Ｉ ｜ Ｔ ｌ Ｂ ＯＩ Ｉ ２ 响重大… 。在梁端焊上端板 ， 用高强螺栓将 端板再 连接于柱 翼缘
一
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Ｈ ３ ０ ０ ×ｌ ６ ｏ ×８× １ ２ Ｈ３ ｏ ｏ×２ ５ ０ ×８×１ ２ １ ８
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类， 在 门式刚架结构 和 多层轻 型钢框 架结 构 中 ， 该 连接 形式 在
第３ ９卷 第 １ ５期 ２ ０ １ ３ 年 ５ 月
Ｓ ＨＡＮ ＸＩ ＡＲＣＨＩ Ｔ Ｅ Ｃ Ｔ ＵＲＥ
外伸端板高强螺栓连接三维非线性有限元分析
引言
随着城市建设 的发展 ， 高层 建筑 在我 国迅速 增多 ， 钢结 构具 有承载力高 、 抗震性能好 、 施工周期 短等特点 ， 特别适用于高层建
筑 。在高层钢结构的设计 中， 节点的合理设 计是保证结 构安全 的 重要一环 。由于半刚性连接 的非线 性决定 了该 连接 的复杂性 ， 我
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文中主要对有 无柱 加劲 肋 、 端板厚 度 、 螺栓 排列变 化等 情况
进行 比较分析 ， 研究 了外 伸 端板 高 强螺 栓半 刚 性连 接 的受 力性 能， 并将其计算结果 与上 式计算结 果进行 了对 比。
目 目 目 国
栓杆和螺栓帽用三维 １ 点 ４面体结 构 实体 单元 Ｓ ｌ９ ０节 ｏｄ ２来 模 ｉ
拟 。考虑柱翼缘与端板接触面之 间的摩擦作 用 ， 柱翼 缘与端 板接 触部位采 用面一面接 触单元 ： ｏ ｔ１４单 元和 Ｔｒｅ７ Ｃ ｎａ７ ａ １０单元。螺 ｇ 栓预拉力 通过 预紧单元 Ｐｅｔ ９来施加 ， ｒ １ ｓ７ 预拉 力的大小 为 １５ｋ ５ Ｎ。 材料设置为各 向同性 ， 弹性模 量取 ２ ０ ．６×ｌｓ ａ泊松 比取 ０ ３ Ｏ ， ＭＰ ．， 密度为 ７ ８ ×１ ｇ ｎｍ３接触面之 间的摩擦 系数设 为 ０ ４ ．５ ０ ｋ ／１ ， ．。考 虑材料非线性 ， 材料强化 采用双 线性 等向强 化 Ｂ Ｓ Ｉ０准则 。梁柱
外 伸 端 板 高 强螺 栓 连 接 三 维 非 线 性 有 限元 分 析
陈 玉欣
摘
杨 彦 军 陈伟 利
《弯扭荷载下外伸端板连接节点受力性能有限元分析》范文
《弯扭荷载下外伸端板连接节点受力性能有限元分析》篇一一、引言随着现代建筑结构设计的复杂性和精细化程度不断提高，对于各种结构连接节点的性能研究也愈发重要。
其中，外伸端板连接节点作为一种常见的建筑结构连接方式，在承受弯扭荷载时其受力性能的优劣直接关系到整个结构的安全性和稳定性。
因此，本文采用有限元分析方法，对外伸端板连接节点在弯扭荷载下的受力性能进行研究。
二、有限元分析方法简介有限元分析是一种数值模拟方法，通过对实体模型进行离散化处理，将其分解为有限个相互连接的单元，然后通过求解每个单元的近似解来得到整个模型的解。
在结构力学领域，有限元分析被广泛应用于各种结构的设计、分析和优化。
三、模型建立与参数设置本文采用有限元分析软件对弯扭荷载下的外伸端板连接节点进行建模。
首先，根据实际结构的特点和尺寸，建立三维模型，并对模型进行网格划分。
其次，设置材料属性、边界条件和荷载条件等参数。
其中，材料属性包括弹性模量、泊松比和屈服强度等；边界条件包括固定约束和自由约束等；荷载条件则包括弯矩和扭矩等。
四、结果与分析1. 弯矩作用下的受力性能分析在弯矩作用下，外伸端板连接节点的受力性能表现为一定的弯曲变形。
通过有限元分析，可以得出节点在不同弯矩作用下的应力分布、位移变化和破坏模式等信息。
分析结果表明，在弯矩作用下，节点的应力主要集中在连接部位的局部区域，随着弯矩的增大，节点的位移也会逐渐增大，但整体上保持较好的承载能力。
2. 扭矩作用下的受力性能分析在扭矩作用下，外伸端板连接节点会受到一定的扭转变形。
通过有限元分析，可以得出节点在不同扭矩作用下的应力分布、扭转变形和破坏模式等信息。
分析结果表明，在扭矩作用下，节点的应力分布较为均匀，但局部区域仍会出现应力集中现象。
随着扭矩的增大，节点的扭转变形也会逐渐增大，但整个节点仍能保持良好的承载能力。
3. 综合弯扭荷载下的受力性能分析在实际工程中，外伸端板连接节点往往同时承受弯扭荷载的作用。
外伸式端板螺栓连接节点的有限元分析
外伸式端板螺栓连接节点的有限元分析李丰;高磊磊【摘要】利用有限元ANSYS对外伸式端板螺栓连接节点受力性能进行了分析,从改变端板厚度和螺栓直径方面进行了节点受力性能研究,提出了钢框架结构设计节点时可按构造形式划分螺栓受力模型.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2013(039)015【总页数】3页(P21-23)【关键词】连接节点;端板厚度;螺栓直径;外伸式端板【作者】李丰;高磊磊【作者单位】河南工程学院土木工程系,河南郑州451191;河南工程学院土木工程系,河南郑州451191【正文语种】中文【中图分类】TU375.40 引言梁柱节点连接是门式刚架结构和多层钢框架结构研究设计中重要内容之一，节点连接的可靠性和有效性对结构整体性能影响重大［1］。
在梁端焊上端板，用高强螺栓将端板再连接于柱翼缘上的节点连接形式称为端板螺栓连接，当端板伸出梁高范围之外时称为外伸式端板螺栓连接［2］。
端板螺栓连接属于抗弯连接的一类，在门式刚架结构和多层轻型钢框架结构中，该连接形式在梁和柱的工地连接方面应用十分广泛。
CECS 102∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(2012年版)中就推荐采用端板螺栓连接作为主要的梁柱连接和拼接节点。
同时，端板螺栓连接节点本身属于高次超静定，接头处应力分布非常复杂，影响节点工作性能的因素众多，例如端板厚度、螺栓的布置和节点构造等。
因此，在设计计算时很难将影响节点性能的众多因素精准考虑。
本文以外伸式端板螺栓连接为研究对象，通过改变连接的端板厚度和螺栓直径两个影响因素，使用有限元软件ANSYS8.0进行弯矩—转角曲线和节点受力性能研究，分析两因素对端板连接节点性能的影响。
1 有限元模型1.1 模型描述梁柱端板连接构造形式不同时，有限元分析参考文献［3］［4］进行试件模型设计。
梁和柱均为焊接H型钢，截面尺寸分别取300×160×8×12和300×250×8×12(单位mm)。
外伸端板中节点火灾行为的有限元分析
值 依据 有关 文献及 考虑 端 板厚 度 对连 接 性 能 的影 响 。试 件特性 见表 １ 。
１ ２材料 模型 ．
力， 同时亦 能 减 少工 地 焊 接 工作 量 ， 在工 程 中应 用 很广 。但其最大 的缺点 在 于不耐 高温 ， 当其 温度 达 到 ４０Ｃ时 ， ０￣ 钢材 的屈服 强度降 为室温 时的一半 ， 温
为止 ， 国外对高 温下钢 结构 连接 的抗 火性 能 已进行 过一定 的研 究 。Ｊ而 我 国对钢 结构抗 火 性能 还 主 ，
要集 中 在 对 单 个 梁 、 构 件 及 整 体 框 架 的 分 析 柱 上 ８ ， 对钢结构 连 接 的抗 火性 能 研 究 非常 有 限。 本文有 限元模拟 以足尺 试件 形式 ， 采用 三维 实体单 元， 考虑 材 料 非线 性 和状 态 非 线 性 的影 响 ， Ａ — 用 Ｎ Ｓ Ｓ ． 对 半 刚性 外 伸端 板连 接 的抗 火性 能进 行 了 Ｙ８０ 理论分 析。最 后 ， 据 有 限 元分 析 的结 果 ， 钢 结 根 对 构节点 的抗 火设计和施工提 出 了建议 。
摘 要 ： 用 三维非 线性 有限 元分析 的 方法 ， 论 了钢 结 构外伸 端板 中节 点的抗 火性 能 ， 究 了端 采 讨 研 板厚 度和 柱加 劲肋 对 节点抗 火性 能的影 响 。通过 分析 ， 出 了节 点在 同一荷 载不 同温度 下 的温 得 度 一转 角曲线 。最后根 据分 析 结果提 出了设 计和 施工 建议 。
本模 型 采 用 足 尺 的 外 伸 端 板 梁 柱 连 接 中节 点 ， 分析 ４个试 件 ， 共 分别记 做 Ｓ —Ｉ Ｓ Ｐ 、Ｐ一２ Ｓ 、Ｐ一 ３和 Ｓ 一４ Ｐ 。梁柱 均 为轧制 Ｈ型钢 ， 柱长 ３０ ０ －， ０ ｍｎ 单侧梁 长 Ｉ３ ０ ｍ， ５ ｒ 梁截 面 尺 寸 为 ２０Ｘ１５Ｘ６Ｘ ａ ５ ２
钢梁柱外伸端板半刚性连接的有限元分析
图 １连接整体模型及加载示意图
３ ． ２ 材 料本构 关 系
钢材 采 用 带 屈 服 平 台及 强 化 段 的 弹塑 性 模 型 ． 弹性 模 量
取 ２ ０ ０ ０ ０ ０ ＭＰａ 。高强 螺 栓 采 用 简化 的 带 强化 段 弹 塑性 模 型 ． 其 弹 性 模 量 亦取 ２ ０ ０ ０ ０ ０ ＭＰ ａ ． 屈 服 强 度 和 极 限 强 度 分 别 取 ９ ０ ０ ＭＰ ａ和 １ ０ ０ ０ ＭＰ ａ ， 强 化模 量取 ０ ． １倍 的初 始 弹 性模 量 。
和位 移 ； 然后在距 离端板 １ ． ５ ｍ 处施加一 致单调位移 ． 分 八 十
△＝ （ １ ＋ ） （ ３ ）
将 式（ ３ ） 代入式 （ ２ ） 可得 到连 接 初 始 刚 度公 式 （ ４） ：
Ｒ ｋ ＝ ＿１
ｅ‘
．
（ ４ ）
１ ＋ １ ２ ． ４ ￣ 。 一
式 中： Ｅ Ｉ ｐ 为端板 抗 弯刚度 ， ｔ Ｄ 为端 板厚度 ， ｅ为 梁 翼 缘 上 下 螺 栓 的 中心 间 距 。
图 ２ 端板连接的有 限元横型
加 载 时先 施 加 高 强 螺栓 预 拉 力 ．并锁 定预 拉 力 产 生 的 力
３ 有限元模型 的建 立
３ ． １模型参数设计
连接钢柱规格采 用 Ｈ ４ ０ ０ ｘ ４ ０ ０ ｘ １ ２ ｘ ２ ０ ． 连 接 铜 梁规 格 采 用
Ｈ３ ０ ０ ｘ ２ ０ ０ ｘｔ Ｏ ｘ ｌ ２，连 接 端 板 规 格 采 用 ２ ０ ０ｘ ５ ０ ０ ｘ（ １ ２ 、 １ ４、 １ ６ 、
针 对 这 类连 接 半 刚 性 的 研 究 还 明 显 不 足 。 本 文 利 用 大 型 通 用 有 限元 软 件 Ａ Ｂ Ａ ＱＵ Ｓ对 五 个 不 同 端板 厚 度 的 钢 梁 柱 外 伸 端 板 连 接 节点 进 行 了 有 限 元 分析 ， 得 到 了 钢 梁 柱 外 伸 端 板 连 接 的弯 矩 一 转角曲线， 并验 证 了 外 伸 端板 连 接初 始 刚度 公 式 的准 确 性 。
《2024年弯扭荷载下外伸端板连接节点受力性能有限元分析》范文
《弯扭荷载下外伸端板连接节点受力性能有限元分析》篇一一、引言随着现代建筑技术的不断进步，外伸端板连接节点在钢结构中得到了广泛应用。
这种连接方式因其独特的结构特性和优异的力学性能，在承受弯扭荷载时具有较高的稳定性和承载能力。
然而，其在实际应用中的受力性能仍需通过深入的研究和实验验证。
本文旨在通过有限元分析方法，对外伸端板连接节点在弯扭荷载下的受力性能进行深入研究，以期为实际工程应用提供理论依据和指导。
二、有限元模型建立本节将详细介绍有限元模型的建立过程。
首先，根据实际工程中的外伸端板连接节点结构，建立三维实体模型。
模型中应包括端板、连接螺栓、钢板等主要构件，并考虑节点的几何尺寸、材料属性等因素。
其次，选择合适的有限元分析软件，如ABAQUS等，进行模型的前处理工作，包括网格划分、材料属性赋值、边界条件设定等。
最后，建立弯扭荷载的加载模型，确保荷载能够准确施加在节点上。
三、材料属性及本构关系在有限元分析中，材料属性及本构关系的选择对分析结果的准确性具有重要影响。
因此，本节将详细阐述所选用材料的属性及本构关系。
首先，对所使用的钢材进行材料性能测试，获取其弹性模量、屈服强度、抗拉强度等基本力学性能指标。
其次，根据材料的应力-应变关系，选择合适的本构模型，如双线性模型、多线性模型等。
最后，将材料属性和本构关系输入到有限元模型中，为后续的受力性能分析提供基础。
四、弯扭荷载下的受力性能分析本节将重点分析外伸端板连接节点在弯扭荷载下的受力性能。
首先，通过有限元软件对模型进行求解，得到节点在不同弯扭荷载下的应力分布、位移变化等情况。
其次，对结果进行后处理，提取节点的应力-位移曲线、荷载-位移曲线等关键数据。
最后，对数据进行分析和讨论，探讨节点的承载能力、破坏模式、刚度等力学性能。
五、结果与讨论通过对有限元分析结果的处理和讨论，本节将得出以下结论。
首先，外伸端板连接节点在弯扭荷载下具有较高的承载能力和稳定性，能够满足实际工程的需求。
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文章编号:167422974(2009)0520001206外伸端板节点有限元分析Ξ何益斌1 ,黄 频1,郭 健1,2,肖阿林1(1.湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082;2.湖南大学设计研究院,湖南长沙 410082) 摘 要:为考察外伸端板连接中不同端板厚度、螺栓直径、螺栓布置对节点受力性能以及端板强度的影响,采用有限元数值分析软件ANSYS 建立半刚性端板连接节点模型进行非线性有限元分析.在建立模型和计算分析过程中考虑了弹塑性、大变形和接触问题.分析结果表明:端板厚度的变化对节点的初始转动刚度、极限转动能力以及抗弯承载力都有不同程度的影响;节点的初始转动刚度随着端板厚度的增加而增加,但节点的极限转动能力却随着端板厚度的增加而减小;设计中建议采用大螺栓、中等厚度的端板,同时螺栓应尽量布置在靠近梁翼缘一侧;传统的T 形件方法计算端板强度,其计算结果偏低.关键词:端板节点;强度;T 形件;有限元;转动刚度中图分类号:TU973.13 文献标识码:AFinite Element Analysis for Extended Endplate ConnectionsHE Y i 2bin 1 ,HUAN G Pin 1,GUO Jian 1,2,XIAO A 2lin 1(1.College of Civil Engineering ,Hunan Univ ,Changsha ,Hunan 410082,China ;2.Design Institute of Hunan Univ ,Changsha ,Hunan 410082,China ) Abstract :The finite element software ANSYS was used to analyze the influences of different end 2platethickness ,bolt diameter and layout of bolts on joint performances and end 2plate strength in extended end 2plate connections.The analytical models took into account material nonlinearities ,large displacements and geometrical discontinuities.The analysis has indicated that the change of end 2plate thickness affects the initial rotational stiffness ,the ultimate rotational capacity and the bearing capacity of connections to varying degrees.Initial rota 2tional stiffness of connections increases with end 2plate thickness ,but the utmost rotational capacity of connec 2tions decrease with end 2plate thickness.In order to guarantee the ductility of connections ,big bolts and medium end 2plate thickness should be adopted and bolts ought to be put as close as possible to the flange of the beam.The T 2stub analogy has limitations in representing the strength of end 2plate.The results computed by the T 2stub analogy are lower than finite results.K ey w ords :endplate connection ;strength ;T 2stub ;finite element method ;rotation stiffness 外伸端板连接节点由于其易于安装和定位、施工方便而成为目前广泛应用的一种梁柱半刚性连接节点.梁柱端板连接节点主要由端板、螺栓、节点域柱翼缘和腹板等部分组成,构造特点决定了端板连接强度和刚度具有一定的复杂性.任何构造上的变化都会对节点的性能产生影响,如果要通过试验对每一个影响因素都进行研究,显然是不经济的.而合理的有限元模型能够以较高的精度对实际结构的受力情况进行模拟,在一定程度上弥补了试验研究的不足.通过有限元模拟,人们能够比较准确、全面地Ξ收稿日期:20080501基金项目:国家自然科学基金资助项目(50778070)和湖南省科技计划资助项目(2008GK312)作者简介:何益斌(1965-),男,湖南益阳人,湖南大学教授,博士生导师 通讯联系人,E 2mail :hyb2035@第36卷 第5期2009年5月湖南大学学报(自然科学版)Journal of Hunan University (Natural Sciences )Vol.36,No.5May 12009了解端板连接的细部受力特性.国内外许多研究者利用大型有限元程序对各种类型的连接进行了分析[1-5],取得了很好的效果.本文使用有限元软件ANSYS10.0,对半刚性外伸端板连接节点进行了全过程受力分析.在建立模型和计算分析过程中考虑了弹塑性、大变形和接触这些复杂非线性问题.分析的重点是此类连接的承载能力、受力机理、变形特点和端板强度.在已提出的端板强度计算模型中,应用最广泛的是屈服线模型[6-8].但是这种模型不能将端板、撬力以及螺栓力三者综合考虑,仅仅是将撬力按照螺栓承载力的33%[9]来考虑.近年来,在计算端板强度时,越来越多的人采用T形件方法.在端板连接中,T形连接件是一个重要的组成部分.柱翼缘弯曲、端板的弯曲等都可以用相应的T形连接件来模拟.但是T形件连接与端板连接上存在几何差异,端板连接中,由于梁腹板的存在,在梁高范围内对端板起了加劲作用,必然能提高端板的强度[10].因此,本文用有限元方法分析了端板厚度、螺栓直径和螺栓布置对端板强度的影响,为端板强度的设计提供了指导.1 有限元分析111 节点参数为了分析外伸端板连接节点的受力性能,模拟文献[11]的试验共设计了7组节点模型.设计主要考虑了以下3个参数的变化:(a)端板厚度;(b)螺栓直径;(c)螺栓布置.外伸式端板连接节点一般由很多组件组成,当组件破坏时,有些延性好,有些则很差.板件(节点域、端板)的耗能能力强,变形能力大,具有较好的延性;而连接材料(焊缝和螺栓)的耗能能力低,变形能力小,延性较差.因此,为了保证节点破坏时具有较好的延性,应保证连接的承载力高于板件,同时为了研究端板厚度、螺栓直径等因素对端板强度的影响,本文节点设计的原则是保证梁柱构件和螺栓不先于节点破坏,只让其发生端板破坏.梁柱截面尺寸分别为H300mm×200mm×8mm×12 mm和H300mm×250mm×8mm×12mm.端板尺寸为200mm×500mm.节点螺栓采用四排两列总数为8个10.9级摩擦型高强度螺栓.螺栓到梁腹板的距离e w=54mm.除螺栓外其余构件材料均为Q345B钢.节点模型的主要参数见表1,节点详细尺寸如图1所示.表1 节点详细尺寸T ab.1 Details of each load case mm 节点编号端板宽度端板厚度螺栓直径m nCEP120016205050CEP220018205050CEP320020205050CBD120020225050CBD220020245050CDS120018205545CDS220018206040图1 节点详图Fig.1 Connection detail112 有限元模型的建立为减少程序计算量,建立有限元模型时进行如下简化[7].1)本文主要研究节点平面内端板的受力性能,不考虑梁柱构件的平面外屈曲,结构关于梁柱腹板中心线对称,故可以利用结构的对称性,仅建立一半的模型,见图2所示.图2 节点和螺栓有限元模型Fig.2 Finite element model of a connection and a bolt2)将螺栓视为一个整体,其有线元模型见图2所示.由于整个加载过程中,螺栓头和螺母与端板一直保持紧密接触,所以建模时,不考虑螺栓头和螺母与端板接触分析,将其与端板粘结,同时也没有考虑2 湖南大学学报(自然科学版)2009年螺栓杆与孔臂之间的相互作用.3)本文在单元划分时,在关键部位和形状不规则部位,比如应力梯度大的地方、螺栓、端板等关键组件,网格尺寸划分得比较小,使不规则处过渡自然,关键部位的单元形状好,网格精细.113 单元类型本文所有节点均采用三维20节点六面体单元SOL ID95.节点螺栓预拉力的施加通过PSM ESH生成三维预拉单元PRETS179来实现;端板和柱翼缘之间的接触通过创建三维接触对来模拟,将端板表面定义为接触面,将柱翼缘表面定义为目标面,分别用三维八节点面-面接触单元CON TA174和三维目标单元TAR GE170模拟.接触面间抗摩擦系数为0.44.114 材料模型[11]梁柱均为Q345B钢,应力-应变关系为理想的弹塑性模型,屈服后弹性模量均为零,对厚度≥16 mm的钢板,屈服强度为363.3MPa,弹性模量为204227MPa;对厚度<16mm的钢板,屈服强度为391.1MPa,弹性模量为190707MPa.螺栓为10.9级摩擦型高强度螺栓.高强度螺栓(包括螺栓头、螺栓杆和螺母)的应力-应变关系采用三线性模型,高强度螺柱的材料性质表2所示.屈服准则采用Von Mises屈服准则,材料屈服后采用流动理论和随动强化准则.表2 高强度螺栓的材料性质T ab.2 Material properties of bolt应力/MPa99511601160应变0.004830.1360.15115 边界条件和计算过程对梁柱腹板中心面施加对称约束,同时对柱脚施加固支约束,所有试件的分析过程都分两个荷载步:第一荷载步施加螺栓预紧力荷载;第二步,锁定第一步中螺栓预拉力产生的位移,在距离柱面1200 mm的梁端位置施加竖向位移荷载,见图1所示.这样的加载顺序完全符合试件的实际试验过程以及实际工程中螺栓受力的先后顺序.第一步采用小变形静力分析,第二步采用大变形静力分析,即考虑二阶效应.2 非线性有限元结果211 参数变化对节点受力性能的影响有限元分析计算得出的各节点的计算结果如表3所示.连接面转角由柱翼缘变形、端板变形和螺栓变形组成,本文中连接面转角由式(1)计算.同时图4给出了有限元计算得到的节点弯矩-转角曲线.<=(D p1-D c1)-(D p2-D c2)h f-t f.(1)式中:D c1,D c2分别为梁上下翼缘中心高度上柱腹板与翼缘交线上的侧移,D p1,D p2分别为梁受拉翼缘和受压翼缘中心处端板的侧移,D c1,D c2,D p1和D p2位置见图3所示,h f为梁高,t f为梁翼缘厚度.图3 参数位置示意图Fig.3 Schematic diagram of position for each parameter 初始转动刚度S j,ini的计算公式为:S j,ini=M e/<e.(2)式中:M e为节点的弹性极限抗弯承载力;<e为节点弯矩等于M e时节点的转角.节点的弹、塑性极限状态定义如下[12]:节点中的组件(梁、柱、端板、螺栓)的等效应力首次达到屈服应力时的状态.节点的塑性极限状态为:在节点部分的组件中,塑性发展较充分,以致节点刚度大幅度降低或趋于零时,在微小的荷载增量下将发生较大的变形.表3 节点有限元计算结果T ab.3 Finite method results of connections节点编号弹性极限转角/rad弹性极限弯矩/(kN・m)初始转动刚度/(kN・m・rad-1)塑性极限转角/rad塑性极限弯矩/(kN・m) CEP10.0060163.427346.10.0948243.4 CEP20.0049177.136009.10.0834283.3 CEP30.0041186.745536.60.0589302.6 CBD10.0046209.345635.10.0994325.6 CBD20.0043211.449218.60.0819324.0 CDS10.0054170.931528.30.0876272.6 CDS20.0062164.426576.90.0997260.8从表3和图4可以得出如下结论:1)节点的弯矩-转角曲线呈现出明显的非线性特性,端板越薄非线性越明显.CEP1的弯矩-转角曲线较其它节点更早地进入了非线性阶段,主要原因是,端板较薄时刚度较小,很小的荷载就能产生很大3第5期何益斌等:外伸端板节点有限元分析的变形,所以非线性特征较明显.过薄的端板弯曲变形很大,变形过大容易引起焊缝开裂,产生脆性破坏,结合我国《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS 102:2002)[13]端板厚度不小于16mm 的规定,设计中建议采用中等厚度的端板.转角/rad图4 弯矩-转角关系Fig.4 Moment 2rotation relationships for connections2)节点的初始转动刚度随着端板厚度的增加而显著增加,但节点的极限转动能力却随着端板厚度的增加而减小.这是因为端板本身的变形不仅对节点转角有直接贡献,而且会阻止柱翼缘及柱腹板的剪切变形,当端板厚度增加时其作用趋于明显.当端板较厚时,再增加其厚度对节点初始刚度的影响不明显[14].这是由于柱翼缘的厚度相对于端板已很薄,节点初始刚度此时主要由柱翼缘确定.所以端板厚度的增加在端板较薄时对节点初始刚度的影响更加突出.3)端板厚度的变化对于节点弹性极限抗弯承载力影响不大.相对而言,对于加载中后期的塑性抗弯承载力的提高更为有效.4)增大螺栓直径一定程度上能有效地提高节点的弹、塑性抗弯承载力.当螺栓直径从20mm (CEP3)增加到22mm (CBD1)时,后者的弹、塑性极限弯矩较前者分别增加了12.1%和7.6%;当螺栓直径继续增大到24mm (CBD2)时,节点的弹、塑性极限弯矩值相差很小.这是因为螺栓与端板强度相差较大,再增大螺栓直径已起不到提高节点承载力的作用.尽管如此,由于螺栓屈服后变形能力和强度提高有限,而端板钢材在屈服后有较大的变形能力和强度提高,节点实际破坏中仍然有可能是螺栓断裂,为了避免节点发生螺栓破坏的脆性破坏模式,设计中建议采用大螺栓.5)从CEP2,CDS1和CDS2的弯矩-转角曲线可以看出:随着螺栓远离梁翼缘,节点的弹、塑性弯矩值和初始刚度均有所下降.因此,设计中建议梁翼缘两侧的螺栓距离翼缘表面的距离应尽可能小,达到构造和施工要求即可.212 端板变形及接触分布利用ANSYS 的路径显示功能,可以查看沿实体模型中某一条路径的应力、位移等变量的分布状况.首先在端板上定义路径AB ,AC 如图5所示.图6,图7分别表示CEP3在路径AB ,AC 上施加荷载后端板相对于柱翼缘的位移.由图6可以看出,节点在达到弹性极限弯矩时,端板局部弯曲变形很小;随着荷载的增大,节点在梁受拉翼缘两侧变形较大,在第三排螺栓以下部位几乎没有缝隙;当达到塑性极限弯矩时,端板顶部与柱翼缘仍然保持接触,因此将会产生明显的撬力作用.结合图6和图7,可以看出端板在受力过程中双向受弯.图5 路径示意图Fig.5 Path sketch in end 2plate端板高度/mm图6 AB 路径上端板相对位移(CEP3)Fig.6 End 2plate relative dis placement 2pathAB in model CEP3由图8可见,节点在弹性极限弯矩和塑性极限弯矩下端板的接触区域基本分布在距离端板顶端350～450mm 范围内,以及端板板顶0～10mm 范围内.此范围几乎不随着荷载的变化而改变,说明荷载的大小对接触区域的影响不大.4 湖南大学学报(自然科学版)2009年端板高度/mm图7 AC路径上端板相对位移(CEP3)Fig.7 End2plate relative dis placement2pathAC in model CEP3端板高度/mm图8 路径AB上端板接触应力分布(CEP3)Fig.8 End2plate contact stress distribution2pathAB in model CEP3213 端板强度计算2.3.1 T形件计算方法端板受弯破坏可以看成是T形连接件的破坏,其破坏时的承载力可以由等效的T形连接件的最大承载力取得.在计算端板强度时,根据端板强度和螺栓强度的相对强弱,端板有两种承载能力极限状态[1].这两种承载能力分别为:(1)端板弱于螺栓.当螺栓很强,而端板相对柔弱的情况下,到达极限状态时端板在螺栓中线处和焊缝边缘出现塑性铰,形成机构失效,如图9(a)所示;(2)端板与螺栓强度相当.当出现这种破坏模式时,螺栓失效的同时,端板在焊缝旁出现一条塑性铰线,这种破坏形式主要是由于撬力增大时,螺栓受力增加,从而导致螺栓先于螺栓轴线处的翼缘板破坏,如图9(b)所示.根据图9,利用平衡关系可得两种破坏模式下的极限承载力分别为:F u1=4M p/m,(3)F u2=(2M p+2B u n)/(m+n).(4)式中:F u1,F u2分别为两种模式下的外加拉力;B u为螺栓的极限受拉承载力;m为螺栓中心到焊缝边缘的距离;n为螺栓中心到端板边缘的距离;M p为端板的塑性弯矩,M p=bt2p f y/4.其中,b为T形件有效宽度;t p为T形件厚度,f y为材料的屈服强度.(a)端板弱于螺栓 (b)端板与螺栓强度相当图9 T形连接件的两种破坏模式Fig.9 Twofailure modes of T2STUB2.3.2 有限元计算结果有限元结果表明,当端板达到其屈服强度时,应力主要集中于梁受拉翼缘两侧和螺栓周围.图10显示了节点达到弹性极限弯矩后端板的Mises应力分布情况.可以看出,端板随着塑性的发展在梁翼缘两侧和螺栓中线处将形成塑性铰机构.有限元分析计算得出的当端板屈服时各节点梁受拉翼缘承载力见表4所示.图10 端板的Mises应力(N/mm2)Fig.10 Distribution of Mises stress in end2plate由表4可知,有限元结果均比T型件方法计算的结果大,说明传统的T形件理论计算端板强度偏于保守.这是由于外伸端板半刚性节点构造的复杂性所致,其中梁腹板、螺栓布置等因素对端板强度的影响不容忽视.梁腹板由于在其梁高范围内对端板的加劲作用,显然能够提高端板的强度.其贡献主要取决于端板和梁腹板的相对刚度.当端板较薄相对5第5期何益斌等:外伸端板节点有限元分析梁腹板刚度较小时,如节点CEP1,其有限元计算结果比T形件计算结果提高了约52%.同时从表4可以看出,当端板厚度增大时,梁腹板对与端板的加强作用减小.CEP3有限元计算结果仅比T形件方法计算结果提高了大约11%.因此,当端板达到一定厚度时,可以忽略梁腹板对端板强度的影响.此外,螺栓位置的布置对端板强度的计算结果也有影响.随着螺栓往端板顶部移动时,端板强度理论分析结果与有限元计算值相差加大.当端板强度与螺栓强度相差不大时,增大螺栓直径使T形件理论结果趋于保守,但当两者强度相差较大时,再增大螺栓直径对端板强度计算结果的影响不大.表4 近似计算结果与有限元结果比较T ab.4 Comparison betw een FE results and T2STUB results节点编号T形件方法计算梁受拉翼缘承载力/kN有限元计算梁受拉翼缘承载力/kN比值CEP1186.0283.7 1.525 CEP2235.4307.5 1.306 CEP3290.6324.1 1.115 CBD1290.6363.3 1.250 CBD2290.6367.0 1.263 CDS1214.0296.7 1.386 CDS2196.2285.5 1.4553 结 论本文通过改变外伸螺栓端板连接节点的参数进行有限元分析,可得到以下几点结论:1)节点的初始连接刚度与端板厚度有关,端板越厚,初始连接刚度越大,并且较薄的端板对节点初始连接刚度的影响更加明显.节点的极限转动能力却随着端板厚度的增加而减小.2)节点的弹、塑性极限抗弯承载力随着端板厚度的增加而有所提高.增大端板厚度对于加载初期的抗弯承载力影响不大,对于加载中后期的塑性抗弯承载力的提高更为有效.3)为了保证节点的延性,建议采用大螺栓,中等厚度的端板.4)梁翼缘两侧的螺栓距离翼缘表面的距离应尽可能小,达到构造和施工要求即可.5)由于半刚性外伸端板节点构造的复杂性,T 形件理论计算得到的端板强度偏低.尤其是当端板较薄时,T形件理论计算结果明显偏于保守.此外,螺栓直径以及布置对端板强度的计算结果也有一定的影响.参考文献[1] MA GGI Y I,G ONCALV ES R M,L EON R T.Parametric anal2ysis of steel bolted end plate connections using finite element mod2 eling[J].Journal of Constructional Steel Research,2005,61:689 -701.[2] ANDREA E S,DONALD W W,ROBERTO T L.Direct analy2sis for design evaluation of partially restrained steel framing sys2 tems[J].Journal of Structural Engineering,ASCE,2005,131(9):1376-1389.[3] KU KRETI A R,MURRA Y T M,ABOLMAAL I A.End2plateconnection moment2rotation relationship[J].Journal of Construc2 tional Steel Research,1987,13(8):137-157.[4] 郝际平,李文岭.钢梁柱半刚性节点顶底角钢弱轴连接的有限元分析[J].土木工程学报,2007,40(9):36-42.HAO Ji2ping,L I Wen2ling.Finite element 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