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摘 要：波纹腹板H型钢能以较薄的钢板获得较高的抗剪屈曲能力,从而可以大量节约钢材.但传统的H型钢梁柱刚接节点的构造形式不适用于波纹腹板H型钢梁,为此提出了2种构造形式的波纹腹板H型钢梁柱刚接节点的构造形式.通过静力试验考察这2种节点的承载力以及各截面的内力分布,并对比了试验结果和有限元分析结果及实用设计公式的计算结果,验证了有限元分析的合理性以及实用设计公式的可靠性.使用有限元分析软件ABAQUS对节点进行了参数分析,研究了端板厚度、连接板厚度和波纹断点对节点承载力的影响.
关键词：波纹腹板H型钢；梁柱刚接节点；静力性能；试验研究；有限元方法
中图分类号：TU392.1
文献标志码：A
文章编号：1674-4764（2013）04-0047-08
波纹腹板H型钢将平腹板改为波纹腹板,从而能以较薄的腹板厚度,获得较大的平面外刚度及较高的抗剪切屈曲承载能力[1-2],且局部承压承载力[3]和抗疲劳强度[4-6]也有所提高,因此,该类型钢具有较高的承载能力及经济优势.近年来,波纹腹板H型钢得到了广泛应用,尤其是作为多高层钢结构的主梁,具有明显的经济优势[1].研究结果已经对波纹腹板钢构件的力学性能有了较深入的了解[7-8],相关规程也已发布并投入使用[9],但还未发现专门研究此类钢梁连接节点性能的报道.连接在钢结构中占有很重要的地位[10],其特性直接影响钢结构的安全性、可靠性和经济性[11].梁柱刚接节点作为多高层钢结构中的主要连接形式,其静力性能和滞回性能至关重要[12-13].波纹腹板H型钢用作多高层钢结构中的主梁,其和H型钢柱的连接节点性能对其在多高层钢结构中的应用影响显著.由于腹板波折,传统的梁柱刚接节点的构造形式不能直接应用于波纹腹板H型钢梁和柱的连接,因此有必要针对波纹腹板钢梁,提出这种新型梁构件的梁柱刚接节点的构造形式,并进行力学性能研究.试验和有限元研究是节点力学性能研究的主要手段[14-15],有限元软件ABAQUS在对钢结构节点的模拟中较为常用.笔者提出了2种波纹腹板钢梁和H型钢柱刚接节点的构造形式,并进行了试验研究和有限元分析,在波纹腹板H型钢梁设计方法的基础上,和传统梁柱刚接节点的设计方法对比,验证传统梁柱刚接节点的设计方法是否适用于波纹腹板H型钢梁柱刚接节点.
1节点设计
传统的多高层钢结构H型钢梁柱刚接节点的构造方式为梁翼缘和柱采用全熔透焊缝连接,梁腹板和柱采用摩擦型高强度螺栓连接 [4].由于波纹腹板钢梁的腹板为波折形状,故不适用于这种构造做法.为解决此问题,在传统梁柱刚接节点做法的基础上,在波纹腹板H型钢梁端焊接端板,并借助高强螺栓、连接板及平腹板H型钢梁段实现梁柱的刚接.根据具体连接方式不同,分为2种构造形式,如图1所示.2种节点的梁翼缘和梁端板均通过全熔透对接焊缝焊接,波纹腹板和梁端板通过双面角焊缝焊接,节点1连接板和梁端板通过双面角焊缝连接,平腹板梁段翼缘和梁端板通过全熔透对接焊缝焊接,腹板和连接板通过高强螺栓连接,平腹板梁段翼缘和钢柱通过全熔透对接焊缝连接,腹板和柱翼缘通过双面角焊缝连接；节点2平腹板梁段翼缘和梁端板通过全熔透对接焊缝连接,腹板和梁端板通过双面角焊缝连接,连接板和柱翼缘通过双面角焊缝连接,平腹板梁段翼缘和柱翼缘通过全熔透对接焊缝焊接,腹板和连接板通过高强螺栓连接.
2试验研究
2.1构件设计
用于试验的波纹腹板H型钢型号为CWA500-200×10,即梁翼缘宽200 mm、厚10 mm,梁腹板高500 mm、厚2 mm,腹板采用的波形如图2所示.平腹板H型钢梁段的截面尺寸为520 mm×250 mm×10 mm×12 mm, H型钢柱的截面尺寸为500 mm×250 mm×10 mm×22 mm.
各节点的连接构造参数如表1所示.除高强螺栓外,所有钢材均采用Q235钢.
2.4加载试验结果
2个节点的破坏模式均为波纹腹板H型钢梁腹板整体剪切屈曲,如图5所示.节点1荷载达到140 kN左右时,荷载位移曲线进入非线性阶段,波纹腹板屈服,荷载达到165 kN时,波纹腹板发生整体剪切屈曲,承载力下降至峰值的60%左右.节点2荷载达到150 kN左右时,荷载位移曲线进入非线性阶段,波纹腹板屈服,荷载达到200 kN时,波纹腹板发生整体剪切屈曲,承载力下降至峰值的70%左右.加载过程中2节点无肉眼可见的破坏,波纹腹板和端板间的双面角焊缝无破坏,梁翼缘和端板间的坡口熔透焊缝无破坏,平腹板梁段和梁端板、柱翼缘之间的连接均无破坏.
2.4.1节点1各截面应力分布
1）波纹腹板和端板间角焊缝附近应力分布
将波纹腹板和端板间角焊缝附近的17、18、19号点所测得的剪应变和距离端板200 mm处的波纹腹板上20、21、22号点所测得的剪应变进行对比,得到如图6所示曲线.由图6可见,各点在线弹性阶段的剪应变随剪力变化基本一致,可知焊缝附近截面和梁截面的剪应力分布一致,均为沿截面均匀分布[5].取线弹性阶段的截面平均剪应力实测值和理论值比较,如图7所示.由图7可知,焊缝附近截面在弹性阶段,腹板的平均剪应力试验值和理论值很接近,因此可以认为在波纹腹板钢梁和端板的连接中,波纹腹板和端板连接的双面角焊缝承受全部剪力,剪力沿截面均匀分布.
2.4.2节点2各截面应力分布
1）波纹腹板和端板间角焊缝附近应力分布
将波纹腹板和端板间角焊缝附近的17、18、19号点所测得的剪应变和距离端板200 mm处的波纹腹板上20、21、22号点所测得的剪应变进行对比,得到如图12所示曲线.
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