关键词：轴心受拉柱脚节点；性能；有限元
引言：轴心受拉柱脚节点在工程中得到广泛应用，如铰接柱脚等，此类节点具有明确的受力点，并且一旦节点开始受力，则底板将与混凝土基础相分离，致使锚栓进入到受力范围内，如若底板的刚度较强，则底板锚栓将承受外荷载的力量；如若底板的刚度较弱，则会受到拉力影响发生弯曲变形，一旦变形到一定程度，底板将产生撬力，增加锚栓所承受的拉力，进而减少整个节点的受力性能。本文将对轴心受拉节点性能有限元进行分析。
1.材料性能及有限元模型
1.1材料性能
混凝度的强度等级为C20，依据Willam-Warnke五参数强度破坏准则，建立多线性等向模型，锚栓为M20，底板、拉力板为Q235。在有限元分析的过程中，底板、拉力板、锚栓等均设置为同性材料，利用Von-Mise双线性原则进行材料性能的非线性分析。
1.2单元类型
混凝土采用非线性单元SOLID65，底板、拉力板、螺母使用SOLID45单元，其中部分锚栓采用LINK48单元，单纯的拉拽不受压力控制，地面与混凝土表面相接触的部分采用CONTA74模拟，摩擦系数根据相关规范取值。
1.3有限元模型
由于节点具有较强的对称性，因此选取模型的一半进行研究，整个节点的有限元模型的构成部分主要为混凝土底座、节点板构成，其中底座的长度为25mm，宽度为2200mm，高度为340mm；拉力板的长度为20mm，宽度为150mm，高度为340mm，并且利用耳板作为辅助；加劲肋的长度为10mm，宽度为80mm，高度为80mm；垫块的长度为25mm，宽度为40mm，高度为40mm；混凝土的底座高度为600mm。在节点板的有限元模型中，开方孔为20mm×20mm，为了提升网格划分的规则性，防止出现多样化网格问题，应将拉力板分解成两个部分，并且分别建模，在耳板处开圆孔40，以此来施加竖向拉力。在网格划分方面，对有限元模型进行划分使应遵循X轴、Y轴、Z轴方向，并且按照合适的大小比例，在圆弧位置设置网络分段数，对网格的各个单元进行划分[1]。
2.有限元计算结果对比分析
2.1有限元结果
通过对上述模型的有限元进行分析后，可以得出轴心节点的变形状况、应力的分布情况。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆从整体来看，整个受拉节点底板变形均为正值，在与拉力板较远的底板处存在较少的负值，这意味着当前此块底板正处于被拉状态，与拉力板接触的位置变形较为严重，而与其距离较远的位置则几乎不存在位移现象，X轴方向上底板的变形情况几乎相同，而Y轴方向则中间变形大于周围，呈现为拱状的变化趋势，与耳板柱脚底板相近的位置已经开始与混凝土之间发生分离，并且与耳板较远的位置，底板开始受到压力影响；锚栓所承受的拉力大小基本一致，这意味着锚栓能够均匀的承担外荷载，但是由于受到拉力影响，与锚栓距离较近的混凝土受到应力影响最高，尤其体现在耳板的加载处，但是在耳板的另一侧的压应力则几乎可以忽略不计。
2.2对比分析
2.2.1底板位移
对于轴心受拉节点来说，在对其进行有限元分析时，应对底板在长向与短向处的位移情况进行分析，然后进行有限元的计算。通过相关实验研究表明，底板在沿着长方向位移时，各个测试点之间的移动数值变化情况不为显著，但是由于受到外力作用的影响，在底板的中间部分受力较为明显，因此中间位置产生的位移与两侧相比略大，但是变化情况不显著。而底板沿着较短的方向移动时，与拉力板距离较近的位置产生的位移最大，反之则最小，并且在底板的周围产生了些许负位移现象，并且中间部分的位移与两侧相比较大，形成拱状形态，这一结果与上文中所阐述的变形结果相一致。
2.2.2底板应变
底板应变与位移的分析方式大同小异，在对轴心节点受拉情况进行有限元分析时，首先应了解底板在长向与短向上的应变情况。通过相关实验研究可知，底板的应变大部分为正值，这意味着底板此时正在受拉应力的作用，沿着底板的X轴方向移动，应变的变化程度不明显，中间位置与两侧相比较大，这主要是由于受到外力作用影响，使中间的变化程度较为明显。而沿着Y轴方面，与拉力板距离较近的位置应变最为明显，距离远的位置则变化较小，甚至在爱边缘位置出现的负值，这意味着底板下方存在撬力，使中间的应变大于两侧。这与misses应力图所展现的内容相符合，能够充分体现出底板下方应力具有不均衡性，这与底板的刚度具有一定联系[2]。
2.2.3锚栓拉力
通过对有限元进行计算得知，节点在轴心拉力作用下使锚栓也受到拉力影响，并且在正常情况下对实验结果与理论计算结果进行对比分析，计算公式为：
式中，Ta代表的是锚栓拉力；N代表的是压力；Q代表的是底板撬力。
从对比结果可知，在锚栓所受拉力方面，有限元分析结果与理论结果相比较高，当拉力作用提升时，二者间的吻合效果较好，主要是由于理论计算的主要依据是底板刚性，底板处于不变形状态时，在拉力的作用下与混凝土基础相分离，并且不存在撬力现象。而通过有限元分析结果来看，底板下方具有撬力存在，与底板边缘处产生的压应力现象相吻合，并且锚栓拉力将与外力大小之间存在一定联系，以线性的趋势上升。
但是，将有限元计算结果与理论结果进行对比时仍然存在一些误差，主要是由于底板并不具备绝对的刚性，受到拉力作用影响时，底板将会产生弯曲变形现象，而无法完全保持在平面状态，而理论计算是假定在平面状态下进行，因此二者之间将不可避免的存在一定误差。
结束语：综上所述，本文主要对轴心受拉节点有限元进行分析，并且得出以下结论：一是本文通过有限元法的分析与计算，主要计算底板应变、位移、锚栓拉力等，均与理论结果相符合，由此证明了模型的有效性。二是通过有限元分析可知，底板沿着X轴的变化不明显，沿着Y轴的变化较为显著，如若底板刚度能够保障，则可以将拉力看作是均匀分布。
参考文献：
[1]王汉伟. 埋入式钢管混凝土栓钉柱脚节点受力性能有限元分析[D]. 长安大学, 2015.
[2]武振宇, 成博. 组装式钢货架柱脚节点的受力性能研究[J]. 深圳大学学报(理工版), 2016(5):513-520.
论文作者:吕瑞喆
论文发表刊物:《科技中国》2018年5期
论文发表时间:2018/8/10
标签：底板论文; 拉力论文; 节点论文; 有限元论文; 轴心论文; 位移论文; 混凝土论文; 《科技中国》2018年5期论文;