角钢有限元分析时采用“扫略”和“自由网格”相结合的方式划分网格,并手动划分模型局部网格的大小。
在模型的对称面上施加对称边界条件,在模拟柱肢的钢板上施加固定约束(ALLDOF),同时限制角钢水平肢的竖向位移(DOFUY)。为了获得角钢在单调拉力荷载下的水平肢合力-位移关系,在角钢水平肢端部横截面施加水平位移荷载(Ux=10mm)。
无肋角钢的变形如图所示,与加载前相比(见图),由于限制了水平肢的竖向位移,因此水平肢以平动为主,变形的区域主要集中在角钢的竖肢。由图可知,角钢竖肢的应力较大,水平肢的应力较小可忽略不计;竖肢与水平肢相交处钢材屈服,沿着角钢的长度方向形成了局部的“屈服带”。由图可知,高强度螺栓基本处于弹性状态,只有螺杆的个别区域进入塑性状态。
单肋角钢的变形与无肋角钢的变形类似,变形的区域主要集中在角钢的竖肢。由图可知,角钢竖肢的应力较大,水平肢大部分区域的应力较小可忽略不计;钢材屈服的区域集中在竖肢与水平肢相交处、加劲肋与竖肢相交处和加劲肋的上部;竖肢开孔处的局压应力很大,该处附近的钢材同样屈服。由图可知,高强度螺栓基本处于弹性状态,只有螺杆的个别区域进入塑性状态。
双肋角钢的变形特点与无肋、单肋角钢的类似。由图可知,角钢竖肢的应力较大,水平肢大部分区域的应力较小可忽略不计;钢材进入屈服的区域集中在加劲肋的中上部,其他区域的应力普遍低于钢材的屈服应力。由图可知,高强度螺栓的螺母处于弹性状态,螺杆的部分区域进入塑性状态。
提取角钢肢背处一点的水平位移和角钢水平肢截面的合力,其关系如图所示。由图可知,由有限元模拟得到的无肋角钢荷载-位移关系与理论分析结果非常接近,比较的结果证明了有限元模拟分析的正确性。如图所示,提取3种角钢的荷载-位移关系并将结果绘制在同一坐标轴中。结果表明:单肋、双肋角钢的屈服荷载、初始刚度分别约为无肋角钢的2倍、3倍;设置加劲肋可有效提高角钢的力学性能。
本文使用有限元软件ANSYS对顶底角钢连接中的角钢进行了水平加载分析。计算结果表明:有限元模拟结果与理论分析结果非常接近,证明了有限元模拟分析的正确性;单肋、双肋角钢的屈服点、初始刚度分别约为无肋角钢的2倍、3倍;设置加劲肋可有效提高角钢的力学性能。
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