钢构架中H型钢梁柱刚性接头设计与探讨

摘要：目前锅炉钢构架中梁柱的刚性连接形式大部分采用梁腹板以角焊缝连接，梁翼缘板采用全焊透的形式与柱连接。以H型钢为研究对象，通过对这种传统的梁柱连接及其他四种不同的连接形式进行非线性有限元分析，提出新的梁柱刚性连接节点的设计思想，即在梁柱连接区梁端采取扩大翼缘板宽度，同时柱端增加加劲肋，避免在连接焊缝区时产生应力集中的现象，使因应力过大而产生的塑性校远离连接区，提高节点的承载性能。

关键词：梁柱接头；非线性分析；梁翼；塑性

随着钢结构技术的迅速发展，特别是电站锅炉的大型化发展，锅炉钢构架中普通的梁柱栓焊连接节点在现实中已经很难满足抗震的需要，在1994年的北岭地震和1995年的阪神地震中，此类栓焊梁柱节点出现了大量的脆性破坏，造成了严重的倒塌现象。通过运用有限元分析软件ANSYS对四种梁柱刚性连接形式进行非线性分析，提出在梁柱连接区梁端部扩大其上下翼缘板宽度，同时在连接区柱端部设置加劲肋的设计思想。这一设计思想不单单增强了柱子的稳定性，最重要的是避免了连接区(焊缝处)的应力集中现象，有效地把塑性铰移出连接区，使连接区的节点性能大大增强，降低事故发生在连接节点的概率，同时加工也较为简单。

1.四种分析模型的介绍

本分析均采用Q235钢材，柱、梁分别采用H500X700X70X30、H500X35又12X8等H型钢截面，柱高5000mm，在距柱上端1000mm处悬臂一长2000mm的梁，梁端部受一大小为300kN，竖直向下的力，分析模型如图1，第一种分析模型是等面梁柱栓焊连接，连接区柱端没有设置加劲肋;第二种分析模型是等截面梁柱栓焊连接，连接区柱端设置加劲肋。第三种分析模型是梁柱栓焊连接，在连接区将梁端部长388mm的上下翼缘宽度增加为740mm，连接区柱端不设加劲肋;第四种分析模型是梁柱栓焊连接，在连接区将梁端部长388mm的上下具缘宽度增加为740mm的同时，在连接区柱端设置加劲肋。

采用ANSYS有限元分析软件进行模拟，四种分析模型均选用solid 45单元类型，采取实体建模形式，用SWEEP网格划分模式进行网格划分，因本文主要探讨节点连接设计问题，故其约束可简化为柱两端的全约束，即对分析模型柱两端面关键点6个自由度均给予约束。四种模型在连接区梁端均选取四条Von Mises应力评定线，来评定四模型的应力变化情况，评定线选取如图2。

图1 图2

2.四种分析模型分析结果的研究

2.1 模型1和模型2连接区柱奚缘板的等效应力分布

从图3、图4两种分析模型柱翼缘板的等效应力云图可以看出，模型1没有设置加劲肋的最大应力为136.4MPa，而模型2柱连接区设置加劲肋最大应力为94.9MPa，减少了近30%(42MPa)，说明了加劲肋对柱子的增强作用。

2.2各个分析模型四条评定线上的节点与其应力对应曲线关系

从图5四种分析模型的评定线曲线关系可以看出，分析模型1、2连接区的应力集中宽度十分接近，都为50mm，应力最大值为350MPa左右，相差不大。模型3、模型4应力值有所下降，模型4比模型1，连接区应力下降27.7%(100MPa左右)。

3.结论

（1）H型钢梁柱刚性连接区柱端设置加劲肋可以大大提高柱的抗弯性能，但对梁端区的应力影响不大。

（2） H型钢梁柱刚性连接区梁端单纯地扩大翼缘板宽度可以使梁端的应力有所下降，但井不能很好地减少连接区应力集中的现象，达不到焊缝处塑性铰外移的效果。

（3）H型钢梁柱刚性连接区梁端，在扩大翼缘板宽度的同时柱端增加加劲肋，使连接区应力迅速下降，且降幅很大，同时焊缝处应力集中现象得到缓解，塑性校前移，避免事故发生在焊接区，保护了焊接节点。

（4）这一刚性连接节点的设计在一些工程中已经逐渐得到应用，希望在锅炉钢构架设计行业中得到设计人员的重视和推广，使锅炉钢构架接头设计更加安全可靠。

参考文献：

【1】JB/T6736一93锅炉钢构架设计导则

【2】丁阳。钢结构设计原理天津：天津大学出版社，2004