钢结构连接节点抗震性能探究

钢结构连接节点抗震性能探究

居诗源

（青岛理工大学山东青岛266033）

【摘要】钢结构连接节点作为结构的重要组成部分，其是否安全可靠会影响到结构的稳定性以及承载性能。本文分析了钢结构所具有的综合性能，进而研究了对钢结构开展有限元分析时的非线性问题，对有限元模拟分析中的本构模型、屈服准则进行了深入探讨，希望为建筑工程的有效应用提供一定的借鉴。

【关键词】钢结构；连接节点；抗震性能

【中图分类号】TU31【文献标识码】A【文章编号】1002-8544（2017）06-0222-02

随着经济社会的飞速发展，工程建设项目越来越多，而钢结构建筑在实际中的应用也是变得越来越广泛。其具有布局灵活、抗震效果佳、应用理论较成熟等特点。钢结构一般是由梁、柱等结构通过节点连接到一起，可以说连接节点是确保结构稳定、组件协调的重要组成部分，其是否安全可靠会影响到结构的稳定性以及承载性能。但是在遭遇震害时，钢结构的破坏常常表现为：连接节点的断裂，连接节点焊隙出现损伤等。所以我们必须对钢结构连接节点的抗震性能给予足够的重视。

与其他形式的结构比较起来，钢结构有着如下几个方面的优势：①应用钢材较好的承载特性，能够有效设置较大跨度或者较大柱距的建筑项目平面；②通过运用先进的计算机技术手段，能够获得更高的工作效率以及生产精度，提升工程施工进度，缩减生产安装周期，减少工程成本；③更适合于大批量生产，工业水平更高，易于推广；④钢结构有更好的延展性，在到了最大承载力之后，还能够进行塑性变形等，抗震效果更好。一般情况下，连接节点的抗震设计手段主要在于：加强连接节点处焊隙的材料强度、工程质量以及施工工艺、改善焊接孔的形状及尺寸大小，优化构件部分的连接节点，增强梁柱的连接节点，提高连接节点的抗震性能。

当前，钢结构建筑连接节点在遭遇震害时的作用性能、破坏表现以及强化策略是钢结构研究领域的重要课题，这对于有效应用钢结构组成的建设体系有着非常重要的实用价值。

1.非线性问题

有限元分析是结构静力及动力分析中极为有用的一种研究方法。为了获得钢结构连接节点的约束关系等性质，我们可以通过应用有限元分析方法，来对钢结构连接节点的抗震特性进行研究。在这里，与材料的塑性特性、梁的形状变形以及相关的接触问题有关，是非常复杂的非线性问题。其主要包括了材料非线性与几何非线性两方面问题。

（1）材料非线性问题

该类问题主要包括以下两种：一种是与时间无关联的弹塑性问题；另一种是与时间有关联的粘塑性问题。当节点遭受破坏的时候，其截面的材料已处于塑性段，为确保材料的受力反应关系有着唯一性，以使得非线性关系收敛，在节点非线性有限元分析时，材料应用各向同性的双线性强化参数，并考虑到所用材料的包辛格效应。

（2）几何非线性问题

当材料遭受较大形变之后，其几何塑形的变化有可能会造成结构的非线性，研究时须考虑到大位移分析并注意P-Δ效应，在有限元分析时，可以应用全拉格朗日法以及改进的拉格朗日法来进行大位移分析。

2.有限元模拟分析

在对结构的非线性受力特性开展有限元模拟分析时，有效的本构关系、屈服准则等是确保结构分析确定性的重要因素。

（1）本构模型

钢材的弹性特性一般用弹性模量及泊松比来分析，塑性特性一般用屈服点及屈服后的性质来分析。材料在接近屈服点前期的改变只生成弹性形变，在卸载后能够回复原状。但是，如果在材料中的应力大于屈服应力，出现了不能恢复的改变。与这类不能恢复的改变相对应的应变被称作塑性应变。在屈服后的位置，通过弹性以及塑性应变反应造成了材料的形变。如果素材屈服，其所具有的强度会明显弱化。已屈服了的材料在卸载后将回到其原有的强度，而钢材的塑性变形往往会增强钢材在持续受力时的应力，该性质被称作工作硬化。

（2）屈服准则

屈服准则又被称作屈服条件，是一种能够用来同单轴检测的应力相对比的应力形态的特性表示。对于所用材料来讲，YonMises屈服准则与最终结果更为接近。VonMises屈服准则认定当形变到了某一极值的时候，钢材会发生塑性变化。该准则涉及到了中部应力对屈服特性的影响。

非线性有限元分析大多数情况下是应用增量迭代的手法，其优势在于适应性更好，能够适合于多种非线性情况，而且因为它是应用逐渐加载的方法，能涉及到变化的整个过程，进而追踪材料的变形过程。常常应用的求解办法有Newton-Raphson法以及弧长法等。前一种方法是求非线性问题的一类迭代方法。检验迭代过程的收敛性，往往使用的是不平衡节点力判定等。

3.实例分析

应用有限元分析方法，对钢结构的连接节点开展受力性研究，按照节点的当前尺寸构建有限元模型，柱是圆柱，梁是箱形截面，横梁是H型钢，并构建起H型钢支架。材料的强度是Q235，弹性是210GPa，泊松比达0.3。研究时，通过检验循环往复负载作用下节点的弹塑性变化，柱端接受500kN的应力，梁端接受不断加载，负载从100kN逐渐增加，负载增量是ΔN=50kN，加载到破坏停止为止。

通过研究得出，该钢结构节点模型非常好的表现了其受力的真实反应，最大受力出现在结构节点周边的梁翼上，接着依据梁的长度方位不断缩减，危险位置发生于结构连接的梁的上下翼周围。显著的代表了连接节点受力的规律特点，也可以看出连接节点的受力非常复杂，并且也代表了连接节点的大多数部分出现屈服。这也表明了在节点连接强度不能大于试件强度的时候，损伤会出现在根部的高受力位置，遭遇震荡时连接节点会受到脆性损坏。

4.结语

钢结构具有布局灵活、抗震效果好、应用理论成熟等特点，连接节点作为结构的重要组成部分，其是否安全可靠会影响到结构的稳定性以及承载性能。因此，本文对连接节点的非线性问题进行了分析。通过进一步的研究发现，连接节点位置的预拉力是确保节点强度的关键因素，改进钢结构特性的重要措施在于半刚性节点的研究与应用，能够利用连接的形变以实现延展的目标。可以说，钢结构连接节点抗震性能的研究对增强结构抗震能力有着重要的研究价值。

参考文献

[1]王玉飞.高层建筑钢结构连接节点的抗震设计[J].工程技术:全文版,2016(8):00035-00035.

[2]李光.钢结构连接节点抗震性能研究[J].工程技术:文摘版,2016(9):00228-00228.

[3]张梓澳.钢结构的连接和节点构造[J].工业,2016(7):00210-00210.