2.1 剪力键节点形式对应力及变形的影响
在简化计算中,将剪力键节点视为刚性节点.然而在实际工程中,存在不同的节点构造措施[8].节点构造处理对节点刚度及应力分布有一定影响.本文参照目前钢空腹夹层板的应用情况,设计了三种剪力键节点,如图6所示.分析三种节点形式对空腹梁应力及变形的影响.
2.1.1 应力分析
三种节点形式下的空腹梁应力分布基本一致.本文以B型节点空腹梁为例说明应力分布特点(图7所示).空腹梁各部位横截面应力分布如图8所示.
图6 剪力键节点形式
Fig.6 The joint of shear connector
图7 空腹梁应力云图
Fig.7 The stress contour curve of vierendeel beam
图8 横截面应力分量(拉正压负)
Fig.8 The stress distribution of cross section
从
图7、
图8可见,剪力键式空腹梁应力分布存在如下特征:①梁端网格靠近节点处截面T型肋腹板应力起控制作用,肋中部截面翼缘应力起控制作用,表明空腹梁端部网格局部弯矩作用效应比轴向力作用效应显著.②空腹梁中部网格的翼缘应力起控制作用,表明跨中网格轴力作用效应比局部弯矩作用效应显著.③边网格内空腹处腹板与剪力键连接部位存在显著的应力集中现象,整个空腹梁的截面应力由端部网格节点处截面控制.三种节点剪力键式空腹梁最大应力如
表1所示.
表1 最大应力值
Tab.1 The maximum stress
从表1可以看出,三种节点空腹梁有限元计算结果显著大于简化计算结果,均存在应力集中现象.三种节点形式节点处应力集中程度不同,A型节点应力集中效应最显著,B型节点次之,C型节点应力集中程度最弱.
2.1.2 变形分析
相比B型节点和C型节点,A型节点局部变形显著,表现为受压腹板将剪力键压至内凹,受压腹板将剪力键拉至外凸(图9),与试验结果一致[9].三种节点空腹梁竖向最大挠度如表2所示.
表2 不同节点形式最大挠度
Tab.2 The maximum deflection
图9 无加劲肋空腹梁节点变形特征
Fig.9 The deformation of shear connector withoutribbed stiffener
从
表2可以看出,B、C型节点空腹梁最大挠度与简化计算方法接近,表明简化计算方法计算挠度具有较高的精确度.A型节点空腹梁挠度与B、C节点空腹梁挠度相差较大,其原因在于剪力键局部变形导致上(下)肋刚体转动产生累计附加挠度.在结构分析时,A型节点不满足刚性连接假定,具有显著的半刚性特征,对于其刚度系数,需进一步深入研究.B、C型节点可视为刚性节点.
2.2 跨高比对应力及变形的影响
将空腹梁跨度与横截面总高度之比定义为跨高比.空腹夹层板的跨高比通常在18～26之间[10].空腹梁跨高比在此范围内取值.空腹梁跨度为12 m,网格尺寸为2 m.T型钢截面宽度200 mm,高度150 mm,翼缘厚度10 mm,腹板厚度10 mm.剪力键宽度200 mm,厚度12 mm.
三种节点形式空腹梁有限元计算最大应力与简化计算方法最大应力随跨高比变化趋势如图 10(a)所示,挠度值随跨高比变化趋势如图 11(b)所示.
图 10 跨高比对最大应力及挠度的影响
Fig.10 The effect of span-depth ratio on the stress and deformation
由
图 10(a)可见:①A型节点空腹梁应力水平显著大于B、C型节点.②简化计算方法计算的最大应力显著小于有限元方法计算值.需对简化计算值进行修正.③有限元计算值与简化计算值均随跨高比呈线性变化,且斜率较小,表明跨高比对最大应力影响不显著.
由图 10(b)可见:①B、C节点形式空腹梁挠度有限元计算值略小于简化计算值,表明简化计算方法可以较为准确地计算B、C型节点空腹梁挠度.②A型节点空腹梁挠度有限元计算值与简化计算值误差较大,不宜采用简化计算方法计算该种节点空腹梁挠度.③跨高比对挠度影响显著.
2.3 网格尺寸对应力及变形的影响
网格尺寸为空腹梁两相邻剪力键中心点之间的距离.考虑到混凝土面板的经济性,空腹夹层板的网格尺寸一般在1.4～2.6 m之间.空腹梁网格尺寸在此范围内取值.空腹梁跨度为12 m,总高度0.6 m.T型钢截面宽度200 mm,高度150 mm,翼缘厚度10 mm,腹板厚度10 mm.剪力键宽度200 mm,厚度12 mm.
三种节点形式空腹梁有限元计算最大应力与简化计算方法最大应力随网格尺寸变化趋势如图 11(a)所示,挠度值随网格尺寸变化趋势如图 11(b)所示.
图 11 网格尺寸对最大应力及挠度的影响
Fig.11 The effect of grid size on the stress and deformation
由
图 11(a)可见:①网格尺寸对最大应力影响较为显著; ②最大应力有限元计算值均大于简化计算值; ③设置加劲肋的两种节点形式空腹梁的最大应力值接近,不设置加劲肋的空腹梁应力计算值大于设置加劲肋的应力值.
由图 11(b)可见:①网格尺寸对挠度的影响程度较小; ②挠度简化计算值与B、C两种节点形式的有限元计算值较为接近,且略大于有限元计算值; ③A型节点空腹梁挠度有限元计算值远大于简化计算值.
2.4 空腹率对应力及变形的影响
将空腹梁空腹部分高度占空腹梁总高度的百分率定义为空腹率(h-2hT)/h.空腹夹层板的空腹率一般在30%～70%之间.空腹梁跨度为12 m,总高度0.6 m,网格尺寸为2 m.T型钢截面宽度200 mm,翼缘厚度10 mm,腹板厚度10 mm.剪力键宽度200 mm,厚度12 mm.
三种节点形式空腹梁有限元计算最大应力与简化计算方法最大应力随空腹率变化趋势如图 12(a)所示,挠度值随网格尺寸变化趋势如图 12(b)所示.
图 12 空腹率对最大应力及挠度的影响
Fig.12 The effect of hollow ratio on the stress and deformation
由
图 12(a)可知:①空腹率对空腹梁最大应力影响较大,随着空腹率的增大,最大应力呈指数式增长,并超出材料的弹性范围; ② A型节点应力最大,B、C型节点应力相当,计算计算结果最小.
由图 12(b)可知:①空腹率对空腹梁挠度影响较大,随着空腹率的增大,最大挠度呈指数式增长; ②简化计算挠度值略大于B、C节点有限元计算挠度值; ③A型节点空腹梁挠度有限元计算值与简化计算值差别较大.
