钢结构节点承载力的分析探讨
[摘要] 钢结构设计过程中，不规则布置梁的节点设计在其中的难点，通过以双层不规则布置加强环式梁柱节点为实际研究的对象，为相应类型的节点足尺模型试验进行了分析。

明确了相关节点的受力性能以及破坏的机理，通过对试验结果的分析，使用了相应的准则，建立了与实验模型相对应的有限元分析模型，同时在相应模型的基础之上，综合了试验以及有限元分析的结果，实现了对双层不规则布置梁加强环式梁柱节点承载能力以及刚度的分析，也为类似的分析提供了可供参考的经验。

[关键字] 双层不规则布置梁环式梁柱节点承载力刚度分析
当前，钢结构体系在建筑工程项目中应用广泛，相应的节点连接是刚结构设计重点之一，多数钢结构事故以及震害的发生首先都是节点被破坏导致整个建筑结构的破坏。

加强环式的节点分析是当前研究最成熟也最为广泛的连接节点的形式之一。

其传力明确、简捷、可靠。

但之前的研究重点往往在规则布置梁的节点受力分析之上，而并未对不规则布置梁节点的受力特征和状况进行分析以及报道，在钢结构设计过程中，不规则布置梁节点的设计是其难点。

不规则布置梁的受力性能对相应结构体系产生了重要的影响。

如何简化复杂的受力状况，以及通过合理的节点设计达到构件内力的有效传递，是相关节点在设计过程中所需要考虑的设计问题。

通过对不规则布置梁加强环式钢节点的分析，明确了相关节点的工作性能，提出了相关类型节点的承载能力以及刚度的计算方式，为相应的工程项目的分析和建设提供了参考。

1 具体实验
通过以实际工程项目中的全钢结构节点为基础，在之际的工程项目的试验过程中，按照等比的关系设计出了尺寸大小以及构件布置完全相同的足尺模型试件。

试件的钢管柱上可布置两个加强环式节点，每一个加强环式节点的钢管柱上外三根悬臂梁，两个节点之间的净距离为350 mm，相应的参数如下所示：
试验当中的钢板以及钢管采用的是345B 钢，该种型号的屈服强度超过350 MPa，极限的抗拉强度超过530 MPa，弹性模量为2. 06 x 105 MPa。

泊松比为0. 3。

工字钢的腹板可使用摩擦型为10.9级别的M16 螺栓进行连接，同时采用剖口熔透焊实现宽翼缘工字钢边缘的连接。

相应的试验使用液压千斤顶对试件施加荷载，而相关试件的柱脚均采用靴梁进行加固连接，在柱顶施加数值向下的恒定荷载，从而实现对实际工程项目中柱所承受的轴力进行模拟，同时也能稳固试件，同时实现对各个刚梁端部的加载。

从整体上来看，钢管柱上的两个加强环式节点所分布的距离较近，从而实现连接至节点的梁上下重叠，同时与相关的构造特征结合起来，使用的加载方案如图所
示。

图1所示为构件结构形式。

通过向GL1～GL3、GL5三处直接向下施压；在梁端的叠加区域，也就是GL3 与GL4，GL5与GL6之间填入钢管，从而实现竖向荷载的传递。

在填入钢管的位置安装上荷载感应器从而实现对G14以及G16受力状况进行分析；具体的试验中使用单调比例分级加载，读数在荷载保持稳定之后则开始。

具体实验加载顺序：首先应对钢管柱施加轴向力，而后在整个试验过程当中保持较为稳定的大小和方向，而后实现对钢梁端部位置进行同时加载直到节点被破坏。

在试验过程中，要通过百分表实现对梁端挠度的测定，同时通过布置在加强环板、钢管壁以及钢梁上的电阻应变片实现对应变值的测量。

在加载后期，梁端变形相对较大，出于安全操作上的考虑，试件并没有施压到荷载破坏，而是当试件失去稳定状况的趋势之时则停止施压，在稳定一段时间之后，按照加载过程中的路线以及级别逐渐反向卸载。

2 试验结果分析
相应的试验表明，加强环板能将梁端力稳定地传递到钢管柱当中，而相应节点的破坏来源于梁的屈服，符合强柱弱梁，节点更强的工程项目的节点设计的原则。

在压力加载的初始时期，随着荷载的逐渐增加，试件梁端的挠度将平稳向上增加，而到了加载后期由于梁端变形，致使相应的挠度变形增加迅速。

而从电阻应变片所反馈出来的信息来看，钢梁根部腹板区域大面积达到了屈服，并逐渐构成塑性铰，试点中的GL1、GL2变化最为明显。

在加强环板与梁翼缘板的连接区域，也有个别测试点达到了屈服应变。

而随着加强环板刚度的逐渐降低，对于梁端力的抵抗作用逐渐减弱。

而当荷载加到试件无法承受更大荷载之时保持荷载不变，稳定荷载一段时间之后，按照加载过程中的路线以及级别实现逐级反向卸载。

在加载过程中，由于钢管柱的变形较小而加强环的变形也较小，梁的变形主要是由于加强环与梁连接处的转动而导致的。

3 有限元分析
通过使用通用有限元分析软件ANSYS 8. 0实现了对试验过程的数值模拟。

在有限元计算和分析过程中保持构件的尺寸、材料的强度、约束的条件以及加载方向与试验保持一致。

相应的构筑关系都以理想弹塑性应力-应变关系以及V on Mises屈服准则和多线性随动强化为准则，节点的模型使用的是实体单元Solid45。

在实际分析过程中，为了突出节点构造对节点性能所产生的影响，由此不考虑节点焊缝、高强螺栓以及焊接残余应力所造成的影响。

图2所示为GL2梁的梁端挠度曲线的有限元计算与实验的结果，由上图可了解到，有限元模型分析所得出的极限荷载以及刚度略微超过试验数值，主要的原因在于，实际构件当中，加强环板与梁翼缘的焊缝连接之处具有一定的应力集中，从而导致了梁端位移的增加比有限元所分析的结果稍微要快，但从整体上
而言，有限元分析的结果与实验的结果吻合程度较好，由此可了解到所建立的有限元模型能准确反映节点区域的受力性能与破坏的特征，可进行进一步的参数分析。

4 节点的承载力计算
已存在的节点承载力的有关共识是在对规则布置梁加强环式节点的基础之上总结归纳出来的，是否对本次研究的特殊节点适用依旧不明确。

由此进行了节点模型的有限元参数分析，从而实现了对加强环板在复杂外接梁传递荷载过程中节点的实际承载能力进行考查。

在实际分析过程中，通过将有限元模型梁的材料强度增加达到强梁弱节点的效果，保证钢梁在实际的试验过程中不会首先被破坏，从而了解节点区域环板的实际承载能力。

经过分析相应的模型为合理。

该类型节点的破坏是在当受拉环板的拉力达到某一数值，梁翼缘的根部环板角隅的外边缘的最大环向应力的特点应首先屈服，而后随着塑性区域的扩大至全断面屈服，继续增加荷载，相应的环板变形明显增加，产生颈缩甚至断裂破坏。

相应的拉力也达到极限值。

从试件的加载过程上看，节点区域以中部连接梁的根部环板最先被破坏，由此在该种类型的不规则布置梁加强环节点的设计过程中，中部梁根部环板带截面应是其实际控制截面。

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