腹板单角钢连接的初始刚度和变形能力研究术

 张  霰1  孔正义2  柳  超3  曹现雷2  王  彦4

（1．安徽省电力公司经济技术研究院，合肥230022;2．安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山 243032：3．中国建筑东北设计研究院有限公司，沈阳  110006；4安徽工业大学电气与信息工程学院，安徽马鞍山  243032）

摘要：通过有限元软件ABAQLS分析腹板单角钢的连接性能，主要分析连接的初始刚度和变形能力，并提出腹板单角钢半刚性连接的初始刚度和变形能力的计算式将计算式与试验结果进行比较，二者吻合较好，验证了提出的腹板单角钢的半刚性连接计算式的有效性

关键词：单角铜腹板连接；有限元；初始刚度；变形能力

DOI:10. 13206/j.gjg201604003

 钢框架结构的节点连接性能直接影响到框架的受力性能。目前，常见的钢结构连接方式有单角钢腹板连接、双角钢腹板连接、腹板单板连接、上下翼缘角钢连接、带腹板双角钢的上下翼缘角钢连接、T型钢连接等。在钢框架的传统分析和设计中，通常是将钢框架的梁柱节点连接假设成完全刚接或理想铰接，完全刚接假定认为框架发生变形时梁柱之间没有相对转动，其夹角保持不变，而理想铰接的假定认为梁与柱之间不能传递弯矩，并且铰接在一起的梁与柱将独立地发生转动。然而无论是在钢框架的施工还是试验中，各国学者们都发现实际的钢框架连接方式往往介于两者之间，既不是完全刚性连接，又不是完全铰接连接，呈半刚性连接方式。相关的学者对半刚性连接方式进行了大量的研究。腹板单角钢连接是一种典型的半刚性连接，因安装方便等优点受到了工程界的关注，然而国内外学者对腹板单角钢连接的研究并不多见。

1  有限元模型

 腹板单角钢连接在弯矩作用下，角钢发生变形，从而引起梁产生转角，如图1所示。本文腹板单角钢连接模型的梁柱截面分别为H824×200× 32×32、H440×300× 32×32，梁长1 500 mm，柱高1 500 mm。连接角钢规格为L 102  ×102×5.5.L 102× 102×9.5、L125× 125×5.5和L125 x125 x9.5，螺栓直径D= 19 mm，柱节点区域设置横向加劲肋，厚度为12 mm。柱两端为固定约束条件，梁端施加竖向荷载。

 采用ABAQUS软件对腹板单角钢半刚性连接进行分析，梁、柱、角钢及螺栓采用实体单元C3D8进行模拟，如图2所示。钢梁、钢柱及角钢材料均采用Q235，屈服强度f y=235 M Pa，采用理想弹塑性应力一应变关系曲线，螺栓为10.9级高强螺栓摩擦型连接。钢材弹性模量E=2. 06×105 M Pa，泊松比μ=0.3，服从von M ises屈服准则。

2初始刚度

 国内外学者提出的单角钢腹板连接的初始刚度计算式并不多见。1990年美国Kishi and Chen等首次提出了单角钢腹板连接的初始刚度的计算式：

 2006年，Yang and Lee等在kishi and Chen模型的基础上提出了新的计算式：

 然而这些模型的精确性有限。为了进一步提高工程的适用性，本文采用有限元软件ABAQUS分析了腹板单角钢连接的连接性能。计算表明：腹板单角钢连接的初始刚度和n2 t3 /β2的值具有很好的线性关系，如图3所示，因此，可用式(3)计算其初始刚度：

式中：n为螺栓个数。

 为了进一步验证式(3)的精确性，本文选取了Lipson的试验数据进行对比，如表1所示。

从表1可以看出Kishi和Chen的式(1)误差为79. 03%，Yang和Lee的式(2)误差为93. 56%，本文建议的式(3)误差仅为22.  86%。建议的初始刚度计算式与试验值吻合较好。

3变形能力

 为了进一步验证式(4)的精确性，本文选取了Lipson的部分试验数据进行对比，如表2

所示。从表2可以看出建议的式(4)误差仅为3. 33%。建议的变形能力计算式与试验值吻合较好。