一种钢结构销轴节点刚度特性确定方法

1.本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种钢结构销轴节点刚度特性确定方法。


背景技术：

2.对于钢结构建筑来说，特别是在机场和公共建筑中，销轴节点连接方式应用广泛。在大型钢结构建筑中，节点连接复杂，规范中对于节点计算方法的前提假设不能适用于所有情况，特别是弹性阶段，宏观模型中销轴节点假定为铰接，但是很少有节点是完全的刚性连接或者完全的铰接连接，因此这一假定往往会导致计算结果严重偏离实际情况。
3.销轴铰接节点的结构杆件可以绕销轴中心转动，只能传递轴力，故销轴节点在此方向上为铰接，但是在其他方向的具有半刚度特性。并且试验结果表明，实际工程中绝大多数节点属于半刚性节点，实际上钢框架设计应按半刚性节点设计，以保证其更接近结构的真实情况。基于国内外学者关于钢结构开展的研究和大量实际工程的论证，结构中的螺栓连接、焊接、以及梁柱连接中的角钢连接等节点形式一般都不是完全刚接或完全铰接，而是具有半刚性特性的连接节点。在实际工程中，理想刚性节点及铰接点是不存在的。因此对于销轴连接节点提出半刚性节点建模，讨论不同连接方式、不同连接刚度及不同节点尺寸对结构响应的影响大小。
4.目前对施工过程模拟分析技术日趋广泛，但其仍存在：在施工过程中，关键杆件的变形及应力变化很难直接得到，不能满足施工过程结构安全监测的需求；如果采用细观尺度模型对结构不同施工段进行详细的建模，复杂结构会大大增加建模的时间和降低计算效率，也会产生很多不必须的结构响应分析，难以实时评判结构在施工过程中的安全性。因此如何提高监测的全面性并提高构件安装精度和建模效率已经成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术存在的构件安装精度地、建模效率低的问题，本发明提供了一种钢结构销轴节点刚度特性确定方法，其具有能够更好地反映销轴节点刚度特性的改变对结构的位移等响应的影响、使构件安装更加精准，建模效率更高等特点。
6.根据本发明的具体实施方式的一种钢结构销轴节点刚度特性确定方法，包括：
7.基于销轴节点中的销轴和耳板构造规定、工程实际的弯矩、拉力设计值和材料强度设计值确定销轴节点的尺寸设计参数；
8.基于有限元分析软件对所述销轴节点中包括销轴和耳板在内的各组成部件进行初步几何建模；
9.基于六面体单元类型对销轴节点模型的组成部件进行网格划分；
10.通过设定销轴节点各组成部件间的相互作用建立组成部件间的关系；
11.通过对销轴节点施加梁端竖向荷载及柱顶荷载得到不同销轴节点的位移和弯矩；
12.基于所述位移和弯矩利用挠度法与相对变形法计算销轴节点转角，并绘制销轴节点弯矩—转角曲线；
13.基于所述销轴节点弯矩
‑
转角曲线，提取曲线一阶导数得到销轴节点初始转动刚度。
14.进一步地，所述基于销轴节点中的销轴和耳板构造规定、工程实际的弯矩、拉力设计值和材料强度设计值确定销轴节点的尺寸设计参数包括：
15.基于销轴节点的受力特性，选取耳板端距、耳板边距，销轴直径和耳板板厚为影响节点刚度性能的主要参数，进行钢结构销轴节点参数分析。
16.进一步地，所述基于有限元分析软件中的八节点减缩积分单元对所述销轴节点中包括销轴和耳板在内的各组成部件进行初步几何建模包括：
17.基于abaqus软件进行初步几何建模。
18.进一步地，所述通过设定销轴节点各组成部件间的相互作用建立组成部件间的关系包括：
19.基于连接板和耳板间的接触、销轴与耳板孔壁的接触、垫片与耳板表面的接触，设置部件之间的接触表面互相碰触时，直接激活接触约束建立包括法向关系、摩擦、耦合和绑定在内的关系。
20.进一步地，所述销轴节点模型采用约束为绑定和耦合类型的约束。
21.本发明的有益效果为：通过考虑节点刚度对结构杆件变形的影响，基于销轴节点中的销轴和耳板构造规定、工程实际的弯矩、拉力设计值和材料强度设计值确定销轴节点的尺寸设计参数；基于有限元分析软件中的八节点减缩积分单元对销轴节点中包括销轴和耳板在内的各组成部件进行初步几何建模；基于六面体单元类型对销轴节点模型的组成部件进行网格划分；通过设定销轴节点各组成部件间的相互作用建立组成部件间的关系；通过对销轴节点施加梁端竖向荷载及柱顶荷载得到不同销轴节点的位移和弯矩；基于位移和弯矩利用挠度法与相对变形法计算销轴节点转角，并绘制销轴节点弯矩—转角曲线；基于销轴节点弯矩
‑
转角曲线，提取曲线一阶导数得到销轴节点初始转动刚度。从而能够更好地反映销轴节点刚度特性的改变对结构的位移等响应的影响，进而能够提高构件的安装精度，提高建模效率和监测的全面性。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是根据一示例性实施例提供的钢结构销轴节点刚度特性确定方法流程图；
24.图2是根据一示例性实施例提供的轴销及耳板尺寸示意图；
25.图3是根据一示例性实施例提供的所建模型的梁的3d模型；
26.图4是根据一示例性实施例提供的所建模型的柱的3d模型；
27.图5是根据一示例性实施例提供的所建模型的主耳板的3d模型；
28.图6是根据一示例性实施例提供的所建模型的加劲肋的3d模型；
29.图7是根据一示例性实施例提供的所建模型的圆盖板的的3d模型；
30.图8是根据一示例性实施例提供的销轴节点网格划分；
31.图9是根据一示例性实施例提供的耳板网格划分；
32.图10是根据一示例性实施例提供的连接板网格划分；
33.图11是根据一示例性实施例提供的梁网格划分；
34.图12是根据一示例性实施例提供的销轴节点模型网格划分；
35.图14是根据一示例性实施例提供的销轴节点俯视图；
36.图15是根据一示例性实施例提供的位移u2、u3示意图；
37.图13是根据一示例性实施例提供的半刚性连接三参数模型曲线。
38.附图标记
[0039]1‑
第一次耳板；2
‑
第二次耳板；3
‑
第一梁；4
‑
第二梁。
具体实施方式
[0040]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
[0041]
销轴节点刚度特性的改变影响结构的位移等响应，进而影响构件的安装位置精度。在传统结构设计过程中，将销轴节点视为铰接节点，但在实际结构中，销轴铰接节点的结构杆件可以绕销轴中心转动，只能传递轴力，故销轴节点在此方向上为铰接，但在其他方向节点一般具有半刚性特性，设计所得的结果与实际结构的施工和使用的结构分析结果有差别，因此参照图1所示，本发明的实施例提供了一种钢结构销轴节点刚度特性确定方法，具体包括：
[0042]
101、基于销轴节点中的销轴和耳板构造规定、工程实际的弯矩、拉力设计值和材料强度设计值确定销轴节点的尺寸设计参数；
[0043]
102、基于有限元分析软件对销轴节点中包括销轴和耳板在内的各组成部件进行初步几何建模；
[0044]
103、基于六面体单元类型对销轴节点模型的组成部件进行网格划分；
[0045]
104、通过设定销轴节点各组成部件间的相互作用建立组成部件间的关系；
[0046]
105、通过对销轴节点施加梁端竖向荷载及柱顶荷载得到不同销轴节点的位移和弯矩；
[0047]
106、基于位移和弯矩利用挠度法与相对变形法计算销轴节点转角，并绘制销轴节点弯矩—转角曲线；
[0048]
107、基于销轴节点弯矩
‑
转角曲线，提取曲线一阶导数得到销轴节点初始转动刚度。
[0049]
这样通过确定销轴节点构造尺寸，采用节点细观尺度模型建模方法建立销轴节点模型，基于相对变形法与挠度法提取节点转角，对比分析两种方法所得转角的误差，再绘制节点弯矩—转角曲线，在弹性阶段内根据弯矩—转角曲线一阶导数确定节点初始刚度。
[0050]
首先，需要通过结合《钢结构设计规范》(gb 50017
‑
2017)，计算确定销轴直径，孔
壁直径、耳板尺寸及各部件的具体位置分布；其次，对于节点不同部件网格的划分不同，所有部件需要采用结构化网格划分；再者，由于abaqus中不会直接认定模型中两个相互接触实体或装配件之间具有接触关系，需要通过设定部件之间的相互作用来表示部件之间的接触和约束，接触模型建立部件之间的法向关系、摩擦，约束定义部件间的耦合和绑定等关系；最后，半刚性节点连接的主要问题为节点的转动角度，由于节点具有一定的刚度，故在弯矩传递的过程中，如何确定节点的变形至关重要。
[0051]
作为上述实施例可行的实现方式，销轴节点主要由主耳板、次耳板和销轴组成，根据节点的受力特性，选取耳板端距a、耳板边距c，销轴直径d，耳板板厚t为影响节点刚度性能的主要参数，进行钢结构销轴节点参数分析。各符号的具体含义如耳板示意图，即图2所示。
[0052]
首先需要根据销轴及耳板样式及其构造规定确定销轴节点的构造尺寸：根据《钢结构设计规范》(gb 50017
‑
2017)，销轴抗弯强度可按照下式计算：
[0053][0054]
式中，b为销轴截面的弯曲应力，单位为mpa；m为销轴计算截面弯矩设计值，单位为n
·
mm；f
b
为销轴抗弯强度设计值，单位为mpa。
[0055]
销轴截面计算弯矩可根据下式计算确定：
[0056][0057]
式中，t1、t2、c的含义如耳板示意图图2所示；
[0058]
销轴的抗剪强度验算可根据下式计算确定：
[0059][0060]
式中，τ
b
为销轴截面剪应力，单位为mpa；n为拉力设计值，单位为n；d为销轴直径，n
v
为受剪面数目，对于典型销轴连接，n
v
＝2；为销轴抗剪强度设计值，单位为mpa。
[0061]
销轴受到弯剪作用时，可按组合强度公式计算确定：
[0062][0063]
销轴及耳板承压强度可按下式计算确定，若两者材料不一样，则选取强度低的材料进行验算。
[0064][0065]
式中，σ
c
为销轴对耳板的挤压应力，单位为mpa；t为耳板厚度，单位为mm；为耳板销孔孔壁承压强度设计值，单位为mpa。
[0066]
根据《铁路桥梁钢结构设计规范》，耳板的净截面抗拉强度及端部抗拉强度根据以下公式计算确定：
[0067][0068][0069]
式中，l1、l2的含义如耳板示意图图2所示；f为耳板抗拉强度设计值，单位为mpa。
[0070]
耳板端部的抗剪切强度可按照下式验算：
[0071][0072]
式中，τ为耳板端部截面剪切应力，单位为mpa；fv为耳板钢材抗剪强度设计值，单位为mpa。
[0073]
而对于销轴及耳板构造规定如下：
[0074]
耳板厚度规定：耳板厚度过小会导致耳板的承压能力，因此需要对耳板的厚度进行控制。由于耳板分为主耳板及次耳板，且主耳板一般厚于次耳板，故参考国外相关规范，确定次耳板厚度应满足公式：
[0075][0076]
销轴与销孔的间隙要求：根据销轴的接触应力研究可知，销轴与销孔的间隙大小影响销轴的接触应力，故《钢结构设计规范》要求销轴孔径与销轴直径的差值应小于等于1mm。
[0077]
销轴的长度规定：销轴长度应超出次耳板外侧面6mm以上以保证限位螺栓的正常安装。
[0078]
销轴节点的材料确定：销轴材料选用40cr钢，耳板采用q345钢。
[0079]
进而计算确定销轴节点的构造尺寸，首先确定拉力设计值n为1000kn，主耳板的厚度t1，次耳板的厚度t2，取销轴与孔壁之间的距离为0.1mm，然后再计算确定销轴直径，孔壁直径、耳板尺寸及各部件的具体位置分布。所建模型的梁的3d模型如图3所示，柱的3d模型如图4所示，主耳板的3d模型如图5所示，加劲肋的3d模型如图6所示，圆盖板的3d模型如图7所示。
[0080]
然后是对建模材料的选取，根据材料试验得到数据建立本构关系，采用三线性振动强化模型，分别给出q345级钢和螺栓的应力
‑
应变曲线。其中，销轴选用合金钢cr40。根据规范要求，q345钢的，泊松比μ＝0.3。cr40钢的e＝2.1
×
105mpa。再对实体模型的单元类型及网格划分，在有限元计算中单元类型的选择对于模拟分析结果的精度有较大的影响。有限元分析软件abaqus中有8类单元，其中根据大量模拟研究发现，采用实体单元中的八节点减缩积分单元(c3d8r)可以较好的模拟节点各部件的接触情况，对于节点位移的模拟分析结果误差较小，且分析过程中网格的变形对于模型分析结果的精度影响较小。故选取八节点减缩积分单元对耳板、加劲肋等部件进行实体单元模拟。八节点减缩积分单元类型进行网格划分时可以采用六面体划分单元或四面体划分单元，由于节点模型尺寸较规整，对模拟分析结果精度要求较高，故选取六面体单元类型为模型的组成部件划分网格。由于梁及柱的厚度小于总体结构尺寸的1/10，故采用结构单元中的壳单元，既简便计算，又能近似模
拟三维实体连续单元，单元类型为sc8r。
[0081]
各部件的网格划分精度如下表所示：
[0082][0083]
对应的销轴节点网格划分如图8所示，耳板网格划分如图9所示，连接板网格划分如图10所示，梁网格划分如图11所示，销轴节点模型网格划分如图12所示。
[0084]
由于abaqus中不会直接认定模型中两个相互接触实体或装配件之间具有接触关系。在一些情况下，两个实体的接触面只传递垂直于接触表面的力。而当两个实体表面之间存在摩擦时，需要通过设定部件之间的相互作用来表示部件之间的接触和约束。接触模型建立部件之间的法向关系、摩擦。约束定义部件间的耦合和绑定等关系。
[0085]
接触：在螺栓节点模型中，对于销轴与板件之间的接触单元，取摩擦系数为0.20。销轴与孔壁间的摩擦系数为0.15。接触主要包括：连接板和耳板间的接触，销轴与耳板孔壁的接触，垫片与耳板表面的接触。设置部件之间的接触表面互相碰触时，直接激活接触约束。
[0086]
约束：本销轴节点模型采用约束为绑定和耦合类型的约束。
[0087]
绑定约束：绑定约束将两个面连接成一个整体，保持相同的运动。在模型中，定义梁与柱之间、销轴与耳板间、梁与圆盖板之间，圆盖板与耳板之间为绑定约束。
[0088]
耦合约束：耦合约束是定义一个参考点，将参考点与需要约束的区域耦合在一起，使得该区域的受力特性平均的分布再耦合面中。本模型中，在柱顶与梁端施加耦合约束使柱顶的集中荷载与梁端的竖向荷载均匀分布在受力面。
[0089]
边界条件及加载方式：在本模型中，在柱底施加固结约束，在施加荷载的分析步中约束梁端的面外自由度，使接触平稳施加，更有利于模型计算的收敛。加载方式为在柱顶设置竖向集中荷载，在梁端设置竖向、轴向荷载及弯矩。
[0090]
创建分析步及设置输出变量：本模型的整个分析过程分为三个分析步，其中第一步为初始分析步，该分析步用于定义模型的边界条件。第二步为柱顶施加集中荷载，第三步为在梁端施加竖向荷载。
[0091]
然后在销轴节点的细观尺度模型建立好之后，施加梁端竖向荷载及柱顶荷载f
l1
、m、f
z1
，得到此荷载下不同节点集的得位移及弯矩。
[0092]
将次耳板1及次耳板2末端网格结点设置为节点集u1、u2。将主耳板末端网格结点设置为节点集u3、u4。销轴节点提取每个结点的水平位移与结点所在截面弯矩随时间步的变化数据，假设总的时间步为t，一个节点集的结点数量为n，则：
[0093]
u
1x
＝[u
11x u
12x u
13x
...u
1nx
]
[0094]
u
2x
＝[u
21x u
22x u
23x
...u
2nx
]
[0095]
u
3x
＝[u
31x u
32x u
33x
...u
3nx
]
[0096]
u
4x
＝[u
41x u
42x u
43x
...u
4nx
]
[0097]
m
1x
＝[m
11x m
12x m
13x
...m
1tx
]
[0098]
m
2x
＝[m
21x m
22x m
23x
...m
2nx
]
[0099]
m
3x
＝[m
21x m
22x m
23x
...m
2tx
]
[0100]
m
4x
＝[m
41x m
42x m
43x
...m
4tx
]
[0101]
在进行钢结构建模设计时，一般是在弹性范围内进行钢结构建模和计算，此时节点弯矩和转角呈线性关系，故能够采用弯矩转角曲线的一阶导数来表示节点刚度特性。如下式：
[0102][0103]
目前描述节点m
‑
θ曲线的一般方法是通过简单地函数表达式来拟合试验获得的节点弯矩及转角数据。采用适合结构分析的三参数模型，其公式表达式为：
[0104][0105]
式中，r
ki
为节点连接的初始刚度，θ0＝mu/rki，m
u
为极限抗弯承载力，n为与连接初始刚度有关的形状系数。其具体含义如图15所示。
[0106]
半刚性节点连接的主要问题为节点的转动角度，由于节点具有一定的刚度，故在弯矩传递的过程中，节点区域会出现转角，通常采用弯矩
‑
转角特性曲线标书，但目前的钢结构规范一般将节点直接视为铰接节点或者刚接节点，在目前的钢结构设计标准中没有说明节点弯矩和转角的具体计算方式。而大量的试验证明，节点在实际工程中并不是完全刚接或铰接，通常会表现出半刚性特性，传递部分的弯矩和剪力。所以，为了探究节点的初始转动刚度，首先需要确定节点的变形。
[0107]
节点的变形是由节点域和连接节点两部分组成，故在计算节点转角时需要考虑节点与的剪切变形和节点构件的变形。弹性阶段节点变形的计算方法有挠度法及相对变形法。
[0108]
挠度法：挠度法是通过梁上某点的挠度值减去梁上该点在理想状态下，由于弯曲变形引起的挠度得到由于节点域变形及连接部分变形产生的挠度值，从而计算节点转角为：
[0109][0110]
式中：l——选取的梁上测点到柱轴线的距离；
[0111]
v1——梁的理想挠度，利用材料力学悬臂梁挠度曲线公式计算得到；
[0112]
v2——节点域变形及连接部分变形。
[0113]
相对变形法：节点的转角大小由梁柱之间的相对转角变化值来表示，即：
[0114][0115]
式中：——梁转角；
[0116]
——柱转角。
[0117]
柱与节点之间有梁相连，且柱上下两端采用固结约束，因此所提节点模型的柱转角几乎为零，忽略不计。将节点区域划分为受拉区，受压区。其中受拉区为销轴受拉，节点区域耳板上部受拉，梁端上部受拉，受压区为节点区域耳板下部受压，梁端下部受压。分析本模型的节点构造，节点连接的转动变形集中在耳板与梁的交点。则节点的转角即为节点板与梁1交点位置转角。
[0118][0119]
对比以上两种方法可知，采用相对变形法可不用计算梁变形，直接在计算结果中提取节点板与梁交点的上部水平位移及底部水平位移来计算节点转角即可，再根据时间步提取弯矩，从而得到节点弯矩
‑
转角曲线，并利用
[0120][0121]
得出节点初始连接刚度。
[0122]
根据模型计算结果，输出第一梁3、第二梁4与次耳板交点中心的弯矩m。以及节点区第一次耳板1末端的水平位移u1，第二次耳板2末端的水平位移u2，耳板末端的水平位移u3，销轴节点俯视图如图13所示，位移u2、u3示意图如图14所示。
[0123]
如结构材料为线弹性材料，在弯矩的作用下产生的变形很小，即处于弹性变形阶段，则节点的转角变形为：
[0124]
θ1＝(u1
‑
u3)/h
f
[0125]
θ2＝(u2
‑
u3)/h
f
[0126]
则节点的初识刚度为弯矩与转角曲线为线性时的刚度，可写为：
[0127]
k1＝m1/θ1[0128]
k2＝m2/θ2[0129]
k＝(k1+k2)/2
[0130]
根据abaqus计算结果，提取第一次耳板1及第二次耳板2末端网格结点集u1、u2的水平位移，耳板末端网格结点集u3、u4的水平位移并根据相对变形法计算节点转角，绘制节点弯矩—转角曲线，根据节点弯矩
‑
转角曲线，提取曲线一阶导数作为节点刚度。
[0131]
本发明上述实施例通过考虑节点刚度对结构杆件变形的影响，提出了钢结构销轴节点细观尺度建模及刚度特性确定的方法，确定了提取销轴节点转角
‑
弯矩曲线的方法，给出了节点初始转动刚度的计算方法，能够更好地反映销轴节点刚度特性的改变对结构的位移等响应的影响，进而在对构件的安装精度的提高其安装的精度，提高建模效率和监测的全面性。
[0132]
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0133]
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如
果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0134]
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0135]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0136]
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。
[0137]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。