随着经济和科技的发展，土木工程领域钢结构所占的份额越来越重。在钢结构设计中节点起着传力枢纽的作用，在整个结构中占有关键的地位。常用的节点按照刚度的不同可以分为刚性节点、半刚性节点和铰接节点n]。美国北岭和日本阪神地震表明，刚性节点因为延性差在地震中容易发生脆性破坏从而造成很大的损失；而半刚性节点由于其有良好的延性，在地震中耗能能力强，可以消耗部分地震能量，从而使地震灾害降低。近年来对半刚性节点的研究越来越受重视，角钢连接就是一种典型的半刚性节点，本文研究的是角钢连接中的顶底角钢连接。巴西UERJ—State大学的Lima对这种节点进行了弱轴方向的有限元分析心]，验证了腹板有效宽度的计算公式；武汉大学的王新武等进行了这类节点滞回性能的试验研究口’；卢小松、顾强指出已有的M一咿曲线方程不能很好地描述这种节点的曲线特性，提出了一种更好的模型r4’；李国华、顾强，对顶底角钢连接进行了极限弯矩的探讨，并提出了极限弯矩的计算公式_5]。

    角钢连接采用高强度螺栓把梁柱连接起来，消除了焊接带来的残余应力和残余变形，而且施工速度快，质量也易保证。从另一方面看，由于该连接具有较好的延性，所以抗震性能突出，能够增加结构的阻尼、延长周期、减小振幅从而减少震害，并且具有较好的经济效益。因此，对该类型节点的研究是很必要的。

2有限元模型

2．1  几何模型和材料特性

    根据文献[3]，柱长为2．7 m、梁长为1．8 m，梁柱均选用H型钢，梁截面HM300×200×8×12、柱截面HW200×200×12×12；柱子中部与梁通过角钢连接，柱腹板与梁上下翼缘平齐处设置柱腹板加劲肋，在距离梁末端0．1 m处设置梁腹板加劲肋并在此施加荷载。本文共建立7个模型，通过分析比较确定各因素的影响程度。具体尺寸见表1所示。其中，模型Mx．1、M X．2和Mx．3用来确定角钢厚度的影响；模型Mx．1、Mx．4和M X．5用来确定加劲肋的影响；模型Mx．1、Mx．6和M X．7用来确定螺栓间距的影响。几何模型和计算简图分别如图1和图2所示，S。表示柱翼缘上螺栓到梁翼缘的距离。

    静力加载过程采用荷载控制，循环荷载过程则采用位移控制。破坏准则服从文献[6]的要求，即当出现以下情况时可判断试件破坏：1)当滞回曲线出现下降段时；2)后一级循环荷载的最大值小于前一级时。

    螺栓采用10．9级M20摩擦型连接高强度螺栓，材料为40Cr，屈服应力为940 MPa，摩擦系数为0．41。梁柱以及角钢和加劲肋的材料为Q235一B，屈服强度平均值取310 MPa。

2．2有限元模型的建立

    本文采用ANsYS程序对图1所示的节点建立了有限元计算模型，并进行非线性有限元分析。假定钢材和螺栓是理想的弹塑性材料，服从Von Mi—ses准则，采用双线性随动强化准则(BKIN)。。。，考包辛格效应。梁、柱、角钢及螺栓采用solid 45单元来模拟。角钢与梁、柱翼缘的接触以及螺栓与角钢、梁、柱翼缘的接触采用Targe 170单元和Conta 174单元来模拟。螺栓的预拉力利用Prest 179单元模拟。在建立模型时，利用对称性只建立1／2模型。划分网格时，梁柱采用扫略划分。由于划分难度较大，在节点域采用自由划分。M X．1的有限单元模型如图3所示。根据力学计算简图呻’，柱顶和柱脚位置设为铰接节点，即在柱顶施加y，Z方向的约束，在柱脚位置施加x，y，z三个方向的约束。

3有限元分析

3．1与试验结果的对比

    本文中模型M X．1同试验尺寸一样，当在梁端施加集中力时，也就是施加81．6 kN·m的弯矩时，角钢出现塑性铰且变形较大(如图4、图5所示)，此时节点的转角为0．061 5 rad，初始刚度为7．48 MN·m／rad。而试验中的结论是在施加79．3 kN·m的弯矩时，角钢出现过大变形，节点的最大转角为0．061 4 rad，初始刚度是7．8 MN·m／rad。两者相比较，弯矩相对差异为2．9％，转角相对差异为0．16％，初始刚度相对差异为4．1％。说明本文中所建立的模型具有足够的精度。各个模型的分析结果详见表2。

3．2  角钢厚度的影响

    本文中通过模型Mx．1、Mx．2和Mx．3来探讨角钢厚度对节点承载力的影响，分别对3个模型施加循环荷载，得到它们的弯矩一转角曲线如图6所不。

    由图6以及表2所对应的数据，可以得出，在施加相同位移的条件下，16 mm厚角钢比12 mm厚角钢的弯矩值提高了39．7％，14 mm厚的角钢比12 mm厚角钢的弯矩值提高了23．8％，这说明产生相同的转角，在节点上所施加的弯矩值随着角钢厚度的增加而增大；并且从角钢的应力云图(图7)可以看出，角钢厚度的增加延缓了塑性铰的产生；由此说明，角钢厚度的增大，能使连接的承载力得到较大的提高。从表2还可以得到，16 mm厚角钢的初始刚度比12 mm厚角钢的初始刚度提高了21．4％，14 mm厚角钢初始刚度比12 mm厚角钢初始刚度提高了11．8％，可见连接的初始刚度随着角钢厚度的增加也有较大提高。以上所述表明，角钢厚度的增加可以提高连接的承载力和初始刚度，而连接承载力和初始刚度的增大又在一定程度上使得连接的滞回性能得到提高；从图6滞回曲线中可以看出，随着角钢厚度的增加，滞回曲线所包围的面积增大，并且曲线趋于饱满，这说明节点的耗能力和抗震性能提高了。所以，在钢结构设计过程中要选择合适的角钢厚度，以保证连接的承载力和抗震性能。较大的角钢厚度还可以减小螺栓由于受拉而引起的撬力。

3．3  螺栓间距的影响

    图8表示不同的螺栓间距下，模型在循环荷载作用下的表现，分别对应于模型Mx．1，M X．6和M X．7。从图8可以看出，在相同的循环荷载条件下，螺栓间距越小，滞回曲线越趋于饱满，所包围的面积也越大；这说明，螺栓间距的减小在一定程度上可以提高连接的抗震性能。由表2可以得到，螺栓间距为70mm时的初始刚度和弯矩值比螺栓间距为90 mm时分别提高了23．6％和22．1％；螺栓间距为50 mm时的初始刚度和弯矩值比螺栓间距为70 mm时分别提高了19．5％和22．7％；可知：螺栓间距对节点的初始刚度和承载力有较大影响，主要表现为可以提高初始刚度和承载力；这进一步说明了，螺栓间距的减小可以提高节点的耗能能力和抗震性能。所以在设计时，建议应在满足构造要求的情况下尽量使螺栓间距较小。但是螺栓间距的减小又会使连接的延性降低‘…，所以螺栓间距的选择要依据实际的情况选择合适的距离。

3．4加劲肋厚度的影响

    如图9(分别对应模型Mx．1，M X．4和Mx．5)所示，3种弯矩一转角曲线的形状变化很小，并且表2所对应的数据变化也很小，可知：加劲肋厚度的变化对节点初始刚度和耗能性能影响很小。加劲肋所承担的荷载主要是由柱翼缘和柱腹板传递来的，所以由节点连接件传递而来的力由柱翼缘、腹板和加劲肋共同承担，一般情况下，加劲肋所受的力是很难达到其极限承载力的，所以加劲肋厚度的变化对节点性能的影响较小。但是，如果没有加劲肋，节点区柱翼缘和腹板就很容易产生较大的变形，使柱提前屈曲，从而导致构件失效，所以加劲肋的设置与否会对节点的性能起很重要的作用。在选择加劲肋时，要根据构件的受力情况确定，综合考虑其与柱腹板和翼缘之间的协调关系。

4结论与展望

4．1  结  论

    1)这种连接的滞回曲线较饱满，节点的最大转角符合美国AISC—LRFD规范有关延性的规定，属于半刚性节点的范畴。钢结构公司所有试件滞回曲线有明显的捏缩现象，出现捏缩现象的原因是随着荷载的增大，由于螺栓伸长以及角钢永久塑性变形，使得角钢肢与节点受拉区柱翼缘表面出现了分离。

    2)连接破坏形式均是在角钢肢交接处形成塑性铰而破坏，这是由于角钢肢交接处应力集中，首先进入塑性，在循环荷载作用下，此处应力集中进一步加剧，最终形成塑性铰而破坏。

    3)角钢厚度对节点承载力、初始刚度以及抗震性能影响较大，设计时宜在满足要求的条件下选择较厚的角钢，以保证连接的承载力和抗震能力。

    4)柱翼缘螺栓中一L,N梁翼缘距离的减小可以明显地提高节点的初始刚度和承载力。

    5)加劲肋厚度的变化对节点滞回性能影响较小。

4．2展  望

    本文研究了角钢厚度、螺栓间距以及加劲肋厚度对连接性能的影响，但影响节点性能的因素还有很多，本文并没有考虑全面。以后的研究还要考虑其他影响因素，如：梁柱翼缘的厚度、腹板的高度以及螺栓孔的大小和螺栓的型号对其性能的影响。

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