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土木工程学科有限元分析论文

采用大型有限元分析软件ABAQUS对本连接节点进行非线性有限

元分析。T型钢与方钢管采用Tie模拟焊接；T型钢与梁采用

BoltForce通过调整螺栓长度模拟高强螺栓连接并实现预加载，考

虑到栓帽与T型钢腹板、螺母与梁翼缘、梁翼缘与T型钢腹板的摩

擦，摩擦系数选定为0.4。T型钢、方钢管柱、H形钢梁和高强螺栓

均采用实体单元实现。模拟边界条件采用对柱底限制x、y和z方向

的位移和x、z方向的转动，对柱顶限制x、y方向的线位移和x、z

方向的转角。对梁端限制其平面外的转动。BASE模型中对柱顶施加

轴压比为0.2的轴向压力，对钢梁的悬臂端施加z方向位移控制的

往复荷载[9]。

BASE模型的弯矩-转角滞回曲线如图3，滞回曲线呈现梭型，且

稳定饱满，并随着梁端循环位移的不断增大，曲线整体刚度不断降

低；梁端的极限承载力为74.361kN，极限承载力良好，对应梁端竖

向位移为49.3mm；极限弯矩为89.2kN·m，极限转角为0.041rad，

说明该节点具有较好的变形能力；耗能系数为2.09，说明耗能性能

良好。综上可以认为，BASE模型连接节点具有理想的抗震性能。节

点的最终破坏形式为两个T型钢腹板根部区域发生屈服破坏。其

中，能量耗散系数eC按最大荷载对应的滞回曲线所包围的面积来衡

量，见图4所示。

BH250和BH300模型的弯矩-转角滞回曲线如图5与图6。可见

BH模型的滞回曲线趋势与BASE模型相似，呈现饱满的梭型[5]。与

BASE模型比照，BH250模型的初始转动刚度增加了6%，BH300的初

始转动刚度增加了16%；BH250模型的极限承载力增加了30%，

BH300模型的极限承载力增加了45%，说明梁高度变化对节点的极限

承载力有相当大的影响，原因是在其他条件相同的情况下，随着梁

高度的增加，梁上下翼缘承当的拉、压力相应减小，因此节点的承

载力提高；BH250模型的耗能系数增加了6.6%，BH300模型的耗能

系数增加了7.6%。综上可得，梁高度的变化对整个节点的承载能力

有明显影响，对最初始转动刚度、耗能能力影响较小，因此适当提

高梁高度有助于节点承载能力的提高。

LTW240和LTW280模型的滞回曲线如图7和图8。可见LTW240

模型的滞回曲线趋势与BASE模型相似，呈梭型，较饱满。与BASE

模型比照，LTW240的初始转动刚度增加了29%，极限承载力与BASE

模型根本相同，耗能系数增加了7.6%。LTW280模型的滞回曲线与

BASE模型差异较大，呈尖弓型。与BASE模型比照，LTW的初始转动

刚度减少了88%，刚度严重下降，原因是当施加荷载时，由于T型

钢腹板过长，力矩过大，弯矩过大，造成T型钢的刚度急剧下降，

导致整体刚度严重下降，因此曲线呈尖弓型，耗能性能较差，不具

备实际研究意义。综上可得，适当改变腹板长度，对提高耗能性能

有一定影响，过大增加腹板长度，会造成刚度的急剧下降，因此在

对腹板长度进行改动是要适量[10]。

利用有限元分析软件ABAQUS对不同尺寸构件的连接节点在往复

荷载下的力学性能进行分析，得出梁高度的变化对整个节点的承载

能力有明显影响，对最初始转动刚度、耗能能力影响较小；T型钢

腹板对节点的初始转动刚度影响较大，对极限承载力及耗能能力影

响较小。T型钢腹板过长，会造成节点的初始刚度严重下降。因此

在设计节点时可根据情况变化梁高度，并在初始转动刚度允许范围

内，适当改变T型钢腹板的长度尺寸。