李映慰

0 引言

節(jié)點域是指柱腹板和翼緣與梁連接的區(qū)域,由于節(jié)點域在結構中起到傳遞框架柱與框架梁之間相互彎矩的作用,從而使得其應力應變狀態(tài)較為復雜。地震作用下節(jié)點域的受力狀態(tài)如圖1所示。節(jié)點域對鋼框架的抗震性能有著重要的影響,分析中正確體現(xiàn)鋼框架的實際抗震性能需要以合理的節(jié)點域分析模型為基礎[1]。

1 節(jié)點域抗震力學機理及其在規(guī)范中的體現(xiàn)

在節(jié)點域抗震設計中,其力學機理主要基于以下兩點：

1)通過研究表明,在節(jié)點域中應變的分布是比較均勻的,而不是拋物線分布,假定在節(jié)點域的柱腹板上均勻分布[2]。根據(jù)VonMises屈服準則,剪應力為：

假定有效的抗剪面積為0.95dctp,如圖1所示,dc為柱截面高度,tp為柱腹板厚度。節(jié)點板域的塑性抗剪能力為：

式(1)中并沒有考慮節(jié)點域進入屈服后,柱翼緣對節(jié)點域的加強作用,在一定程度上低估了節(jié)點域的抗剪強度。

2)由于在鋼框架的抗震設計中,往往以層間變形起控制作用,因此對于節(jié)點域的設計起到控制作用的多為抗震能力設計要求。節(jié)點屈服承載能力被設計來完全承受框架梁完全塑性彎矩所產生的剪力,對于節(jié)點域的抗震承載能力要求過高。由于前述節(jié)點域抗震能力的低估和抗震需求的過高要求使得節(jié)點域的抗震設計較為保守。Krawinkler(1971年),Bertero(1973年),Popov(1987年)通過試驗研究表明節(jié)點域在屈服后具有較高的強度儲備,較好的延性,穩(wěn)定的滯回圈和循環(huán)強化性能[3]。為充分利用節(jié)點域的抗震滯回耗能能力,針對節(jié)點域設計存在的問題,分別對屈服承載能力和能力設計要求上進行了調整,節(jié)點域的塑性抗剪能力考慮框架柱翼緣的加強作用：

式中參數(shù)意義見圖1。在節(jié)點域能力設計中引入0.8調整系數(shù),取節(jié)點域的塑性抗剪承載力為該節(jié)點梁的總塑性承載力的0.8倍,即在大震作用下,節(jié)點域首先屈服,然后才是梁出現(xiàn)塑性鉸。

目前我國抗震設計規(guī)范中鋼框架結構節(jié)點域的設計采用的就是上述方法和思路。設計中起到控制作用的節(jié)點域的屈服承載力應符合下式[4]：

其中,Mpb1,Mpb2分別為節(jié)點域兩側梁的全塑性受彎承載力;Vp為節(jié)點域的體積;fv為鋼材的抗剪強度設計值;ψ為折減系數(shù),場地6度和7度時可取0.6,8度,9度時取0.7。式(3)主要綜合參考了日本規(guī)范和美國規(guī)范,在日本規(guī)范中框架節(jié)點域的極限承載力是根據(jù)梁柱的全截面塑性受彎承載力計算確定的,在設計時忽略了剪力項同時不考慮軸力對節(jié)點域剪切的影響,可寫成[5]：

與式(1)相對比,即設計中節(jié)點域塑性承載力為：

式(5)右側的1/3綜合考慮了忽略剪力項和節(jié)點域在周邊構件的影響下承載能力的提高。在我國規(guī)范中引入了調整系數(shù),研究表明取節(jié)點域的塑性承載力為該節(jié)點梁的總塑性承載力的0.7倍是合適的。規(guī)范為了避免7度時普遍加厚節(jié)點域,在7度時取0.6。同國外規(guī)范相對比,我國的調整系數(shù)皆不大于0.8,在一定意義上說明按照我國規(guī)范設計的鋼框架結構,在大震作用下節(jié)點域較早進入塑性,節(jié)點域首先屈服,然后是梁出現(xiàn)塑性鉸。

按照目前我國抗震設計規(guī)范的設計要求,節(jié)點域要在梁產生塑性鉸之前進入塑性變形,其目的在于充分利用節(jié)點域的抗震滯回耗能性能,但該設計思路同時也帶來了一定的問題。通過節(jié)點域進行抗震耗能的同時,節(jié)點域將產生較大的塑性剪切變形,在較高的應力應變狀態(tài)下易造成框架節(jié)點焊縫的脆性破壞,并在北嶺地震震害和SAC研究中得到體現(xiàn)[6]。新版的AISC規(guī)范重新修訂了節(jié)點域的設計原則,取消了0.8倍的調整系數(shù),其設計理念類似于日本規(guī)范。然而,目前我國抗震設計規(guī)范中鋼框架節(jié)點域的設計方法并沒有進行相應的調整,仍然采用較多利用節(jié)點域塑性耗能的方法,因此,對于按照我國規(guī)范設計鋼框架進行抗震性能分析時,更應重視節(jié)點域的抗震性能分析,在分析模型中考慮節(jié)點域模型。

2 節(jié)點域合理分析模型的建立

節(jié)點域的分析模型需要正確反映節(jié)點域的實際受力變形情況。Krawinkler通過實驗分析總結出：

1)節(jié)點域的塑性剪切承載能力包括柱腹板抗剪和節(jié)點域發(fā)生剪切變形時拐角處柱翼緣的彎曲變形而產生的抗力。

2)節(jié)點域的受力變形曲線為三折線,由兩折線的柱腹板剪切變形曲線和柱翼緣剪切變形曲線疊加產生,見圖2。圖中彈性剪切剛度Ke為：

Ke即為柱腹板的彈性剪切剛度,式中G為柱體材料的剪切模量。當節(jié)點域柱腹板進入屈服后,節(jié)點域拐角處柱翼緣的彎曲變形提供了附加的節(jié)點域剪切剛度。可得屈服后抗剪剛度Kp為：

式中參數(shù)意義參見圖1,bc為柱翼緣的寬度。硬化系數(shù)α取0.03。

3 分析驗證

前述分析中所引入的剪力—剪切變形三折線模型體現(xiàn)了節(jié)點域抗剪能力的實際情況,即節(jié)點板域抗剪能力和柱翼緣抗剪能力的組合。采用此節(jié)點域分析模型不僅僅在于其力學合理性,還在于以下原因：首先,節(jié)點域分析模型中剪切力—剪切變形關系被國內外抗震規(guī)范廣泛采用,并體現(xiàn)在相關條文中。我國抗震規(guī)范中關于節(jié)點域的設計規(guī)定以美、日規(guī)范為參考,即說明我國規(guī)范中所采用的節(jié)點域力學模型與該分析模型的力學機理基本相同,分析模型可以較好的反映規(guī)范的實際情況,符合分析目的。再者,在分析模型的具體實現(xiàn)上,我國學者提出了通過純梁柱的彈塑性單元剛度得到考慮節(jié)點區(qū)剪切變形影響的梁柱彈塑性單元剛度。從理論的角度,該方法較為合理,但在實際應用中缺乏計算程序支持,本文所采用分析模型可以方便的應用于常用計算分析軟件,具有較好的適用性。根據(jù)已有試驗數(shù)據(jù)[7],采用前述節(jié)點域分析模型建立鋼框架整體模型,并作非線性時程計算。計算結果與實際試驗結果對比表明,分析結果可以較好的擬合試驗結果,分析模型較為合理。

4 結語

分析表明,本文所提出的剪力—剪切變形三折線模型體現(xiàn)了節(jié)點域抗剪能力的實際情況,即節(jié)點板域的抗剪能力和柱翼緣的抗剪能力組合,合理體現(xiàn)了節(jié)點域的實際抗震力學機理。其符合我國規(guī)范中所采用的節(jié)點域力學模型,且具有較好的分析可操作性。與試驗結果對比證明基于該節(jié)點域模型分析得到的鋼框架整體抗震性能較為符合實際情況。

[1]Krawinkler H.State of the art report on systems performance of steel moment frames subject to earthquake ground shaking[R].Washington,D.C：the SAC Joint Venture for the Federal Emergency Management Agency,2000.

[2]Schneider S P,Amidi A.Seismic behavior of steel frames with deformable panel zones[J].Journal of Structural Engineering,1998,124(1)：35-42.

[3]Jin J,El Tawil S.Evaluation of FEMA-350 seismic provisions for steel panel zones[J].Journal of Structural Engineering,2005,131(2)：250-258.

[4]GB 50011-2001,建筑抗震設計規(guī)范[S].

[5]王 浩,李志剛,蔡益燕.節(jié)點域性能的研究[J].鋼結構,2005,20(1)：68-70.

[6]Roeder C W.State of art report on connection performance[R].Washington,D.C：the SAC Joint Venture for the Federal Emergency Management Agency,2000.

[7]李國強,沈祖炎.考慮節(jié)點區(qū)剪切變形的鋼框架彈塑性地震反應分析[J].同濟大學學報(自然科學版),1990,18(1)：1-9.