冷弯薄壁C型钢梁柱节点试验研究

冷弯薄壁C型钢梁柱节点试验研究提要：本试验对象为三个冷弯薄壁c型钢梁柱节点，同时采用有限元程序对该类节点的半刚性性能进行分析。

文中介绍了三个试件的试验、破坏形式、有限元分析结果，并阐述了各种因素对节点性能的影响。

关键词：，冷弯薄壁c型钢，梁柱节点，半刚性，有限元
1.引言
冷弯薄壁型c型钢梁柱连接处内力分布复杂、变形或转角易出现突变，其传力性能、稳定性、有效性等都将会影响整个结构的性能。

本文就是以该类梁柱构件的半刚性节点为研究对象，通过对三个不同构造形式的1:1足尺梁柱节点试件的试验，总结此种节点连接在低周循环荷载作用下的破坏机理及其影响因素。

2 试验装置及加载制度
试件的计算简图如图2.1，试验加载装置图详见图2.2，
表2.1 试件设计描述(单位:mm)
试件编号
试件描述 g－1 g－2 g－3
加劲肋(mm) －350×150×5.0 －350×150×5.0 ——
加劲件(mm) ————槽形件342×142×3.0
顶、底连接角钢热轧l75×6.0 热轧l75×6.0 冷弯l105×75×5.0
腹板连接角钢热轧l75×6.0 热轧l75×6.0 冷弯l75×
5.0
螺栓等级普通螺栓 8.8级普通螺栓
螺栓规格 m12 m12 m12
螺栓个数 25 25 39
3. 试件的破坏模式及规律
3.1试验中梁柱节点的破坏现象有以下两类：
1）节点转角过大破坏
试件g-1、g-2为此种破坏模式。

一般半刚性节点的极限转动能力以节点转角超过0.045rad为极限状态，本次试件g-1转角达到了0.0546rad，试件g-2转角达到了0.054rad。

从试验的现象来看，试件g-1、g-2连接还具有很大的转动能力。

但由于加载装置的限制，在转角达到上述值时就中止加载，认为节点破坏。

2）角钢出现裂纹并且裂纹相互贯通破坏
试件g-3为此种破坏模式。

在反复加载多次后，连接角钢在反复拉压作用下，节点的塑性发展很大，产生疲劳裂纹，再继续受拉时裂纹贯通而导致角钢破坏、承载力急剧下降，则节点连接也达到极限情况。

由于节点变形的主要是由角钢引起的，所以角钢的塑性变形性能的好坏直接影响节点的变形、延性和耗能性能。

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3.2试验中梁柱半刚性连接的一些规律:
从以上三个构件的破坏过程分析，体现了钢结构梁柱半刚性连接的一些规律，主要表现在以下几个方面：
1）梁柱半刚性节点的连接有较好的塑性变形能力，未发生过早
脆性破坏的现象。

与螺栓相接触的梁柱翼缘、角钢肢面表面、螺栓孔边缘的应力较大，有一定的起皱现象。

随着荷载的加大，角钢的两端逐渐脱离接触面，角钢产生较大的塑性变形。

2）螺栓等级对节点承载能力、延性有一定的影响，等级越高，承载能力越大、延性越低；等级越低，承载能力越小、延性越高；螺栓基本都出现滑移。

3）连接角钢对节点的影响很大，主要表现在：连接角钢（主要是上下连接的角钢）的刚度越大，则节点的整体刚度随之增大、承载能力越高、节点的变形就越小；连接角钢的刚度小，节点的整体刚度越小、节点变形就越大。

上下角钢的塑性变形能力越大，节点变形增加程度越大、节点的延性越好。

4）本次试验采用两种节点域加劲形式，即横向加劲肋加劲和槽形件加劲。

两种加劲形式各有其特点，横向加劲肋能减小节点域的剪切变形，较好地传递梁端集中力尤其是压力，有效改善柱在节点的刚度，减缓柱翼缘变形，有利于提高节点的承载能力和变形能力，还对梁的平面外稳定和柱翼缘的翘曲有贡献，但没有加强节点域柱腹板抗剪和柱翼缘的局部鼓曲；槽形件有助于节点域抗剪，等于加厚节点域柱腹板，还有助于柱翼缘的局部鼓曲，但对梁的平面外稳定和柱翼缘的翘起贡献很小。

4 有限元分析
4.1 角钢应力、应变分析
顶底角钢的有限元计算结果(见图4.1图4.2)和试验相对比有以
下结果：
1）有限元分析时各点应力发展快慢比较一致。

2）有限元分析时各点屈服前应力值吻合较好，但屈服后的应变值吻合较差，这是因为屈服后模型变形模量与试件的变形模量有差别。

3）试验及模型中均为底角钢最先达到屈服；而且模型中还可以看出时是底角钢靠近柱翼缘的肢背处最先进入塑性区，这与理论分析结果比较一致。

4）腹板角钢在节点的转动过程中屈服晚于顶底角钢，说明腹板角钢对抵抗节点转动的贡献小于顶底角钢。

靠近梁翼缘的应变比在中部的应变要大，表明腹板连接角钢在承受剪力的同时也参与了共同抗弯。

4.2 节点的位移和变形
模拟整个变形过程中，弹性阶段及过渡阶段的变形相对较小，主要位移由屈服区域的塑性变形引起，试件的刚体位移只占很少部分。

最大位移发生在梁的悬臂端；底角钢竖肢螺栓孔附近发生较大变形，底角钢最大的水平位移出现在肢背；腹板连接角钢与梁腹板及柱翼缘连接下部有较大位移；顶角钢水平肢与梁上翼缘连接处变形较大，与柱翼缘连接处变形不明显。

达极限荷载时，底角钢根部应变最大，发生较大转角，角钢未出现表面裂纹。

底角钢与柱连接的螺栓有一定变形。

此结果与真实试验现象相比较，变化趋势比较接近，证明位移
和变形变化结果是可信的。

4.3有限元分析得出的规律
双腹板、顶底角钢半刚性连接的顶底角钢、腹板角钢在单调荷载作用下的应力情况比较复杂，但其变化趋势还是有一定的规律性，即: 整个连接节点的转动以顶角钢水平肢根部为中心，底角钢与柱连接肢、顶角钢水平段和腹板角钢如同悬臂梁工作。

5 结论
带双腹板、顶底角钢的冷弯薄壁c型钢梁柱节点与一般的普钢节点有着不同的破坏特点及转动性能。

通过试验及ansys对节点进行有限元分析，观察各组件的应力、变形和破坏趋势，分析揭示了节点的受力特性，得到如下结论：
1）此种节点的几种失效模式为：(1)连接转角达到0.045rad；
(2)顶底角钢或腹板角钢产生明显的裂纹；(3)高强螺栓产生滑移、梁翼缘或腹板屈服。

2）影响节点的初始刚度和弯矩承载力的因素主要是顶底角钢的刚度和强度，腹板角钢和螺栓强度的贡献较小。

3）顶底角钢是连接最薄弱的部件，其塑性变形是引起梁柱相对转角的主要因素。

所以在设计时应注意角钢的刚度及螺栓的强度；在设计中宜严格控制梁的挠度指标，以抵消角钢连接节点的转动影响。

4）从本次试验可以看出，半刚性节点的刚度小、延性大；而试件中的梁、柱强度都比较充足，尤其是柱基本上没有破坏，显示出
整个构件的薄弱点在顶底角钢。

因此，利用半刚性连接来代替“强柱弱梁”设计是有可能的。

参考文献：
[1] w.f.chen, yoshiaki goto, j.y.richard liew, stability design of semi-rigid frames, john wiley & sons, inc. 1996.
[2] bryan,e.r. the design of bolted joints in cold-formed steel sections. thin-walled structures, 1993,16,pp239-262 .
[3]王军，新型冷弯薄壁型钢框架半刚性节点试验研究及有限元分析重庆大学学位论文 2005年11月
[4]李颗，带双腹板、顶底角钢连接的冷弯薄壁型钢梁柱节点试验研究重庆大学学位论文 2006年5月。