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外伸端板连接节点受力性能的有限元精细化解析与工程应用启示

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代建筑结构体系中，外伸端板连接节点作为一种关键的连接形式，广泛应用于钢结构框架中，其性能优劣直接关乎整个建筑结构的安全与稳定。外伸端板连接节点凭借施工便捷、传力路径明确以及能较好适应不同结构布置需求等优势，在工业与民用建筑领域备受青睐。然而，该节点在实际受力过程中，涉及到梁、柱、端板以及螺栓等多构件间的协同工作，受力机制极为复杂，还伴随撬力、接触非线性等现象，使得深入探究其受力性能极具挑战性。

传统对节点的设计，常假定为理想刚接或铰接，与实际节点半刚性的力学行为存在偏差。实际工程里，外伸端板连接节点的半刚性特征对结构的内力分布、变形形态以及动力响应等均会产生显著影响。例如在地震等极端荷载作用下，节点的半刚性可改变结构的周期和阻尼，进而影响结构的抗震性能。所以，精准掌握外伸端板连接节点的真实受力性能，对于保障建筑结构在全生命周期内的安全性和可靠性意义重大。

有限元分析方法借助计算机强大的计算能力，能对复杂结构进行数值模拟，将外伸端板连接节点这一复杂的物理模型转化为数学模型求解。它不仅能考虑材料非线性、几何非线性以及接触非线性等多种因素，还能全方位呈现节点在不同荷载工况下的应力分布、变形发展以及破坏模式等力学行为细节，这是传统理论分析和试验研究难以企及的。通过有限元分析，能够在设计阶段对节点性能进行预测和优化，减少不必要的试验成本和时间消耗，为工程设计提供更具科学性和可靠性的依据，对推动建筑结构领域的理论发展和工程实践创新起着关键作用。

1.2研究现状综述

国内外学者针对外伸端板连接节点受力性能开展了大量研究，研究方法涵盖理论分析、试验研究以及数值模拟。在理论分析方面，早期主要基于弹性力学和塑性力学理论，构建简化力学模型来分析节点受力，如经典的T型件模型，将端板和螺栓简化为T型连接件，用于计算螺栓拉力和节点承载力，但该模型对复杂的实际受力情况考虑不足。随着研究深入，学者们不断改进和完善理论模型，考虑更多影响因素，如节点域变形、撬力作用等，以提高理论计算的准确性。

试验研究为节点受力性能分析提供了最直接的数据支撑。诸多学者通过足尺或缩尺试件的静力加载试验、拟静力试验和动力试验等，研究节点在不同荷载作用下的力学性能。试验内容涉及节点的破坏模式、承载能力、转动刚度、延性和耗能能力等关键指标。例如，部分试验研究发现端板厚度、螺栓布置和强度等因素对节点的承载能力和转动刚度影响显著；还有试验表明，节点在循环荷载作用下的滞回性能与节点构造和材料性能密切相关。然而，试验研究存在成本高、周期长、样本数量有限等局限性，难以全面涵盖所有影响因素和复杂工况。

有限元分析在该领域的应用日益广泛，成为研究外伸端板连接节点受力性能的重要手段。早期有限元模拟由于计算能力和软件功能限制，模型相对简单，对一些复杂因素的考虑不够完善。随着计算机技术和有限元软件的飞速发展，如今能够建立更为精细的模型，全面考虑材料非线性、几何非线性、接触非线性以及螺栓的预紧力等因素。众多研究利用有限元软件（如ANSYS、ABAQUS等）对外伸端板连接节点进行模拟分析，结果与试验数据对比验证了有限元方法的有效性和可靠性。通过有限元模拟，不仅能深入分析节点内部的应力应变分布规律，还能开展参数化研究，高效探究不同参数对节点性能的影响。

当前研究仍存在一些有待解决的问题。一方面，尽管有限元分析取得显著进展，但在模型精细化程度和计算效率的平衡上仍需改进，部分复杂模型计算耗时过长，不利于工程实际应用；另一方面，对于多因素耦合作用下节点的长期性能和疲劳性能研究相对匮乏，在实际工程中，节点往往受到多种荷载和环境因素的长期共同作用，其长期性能和疲劳性能对结构安全至关重要。未来研究可朝着进一步优化有限元模型、提高计算效率方向发展，同时加强多因素耦合作用下节点长期性能和疲劳性能的研究，以完善外伸端板连接节点的受力性能理论体系。

1.3研究内容与方法

本文主要运用有限元分析方法，深入研究外伸端板连接节点在不同荷载工况下的受力性能。具体研究内容包括：首先，基于实际工程案例，利用专业有限元软件建立高精度的外伸端板连接节点有限元模型，在建模过程中充分考虑材料非线性、几何非线性和接触非线性等因素，合理选取单元类型、定义材料本构关系以及设置接触属性和边界条件，确保模型能真实反映节点的实际力学行为。

然后，对建立好的模型施加多种荷载工况，如单向拉伸、弯曲、剪切以及不同组合形式的荷载，模拟节点在实际受力过程中的各种情况。通过有限元计算，详细分析节点在不同荷载作用下的应力分布规律，明确应力集中区域和应力传递路径；研究节点的变形特征，包括整体变形和局部变形情况，获取节点的荷载-变形曲线；探究节点的破坏模式和破坏过