楊江鵬,陳向榮,趙 錦

(西安建筑科技大學土木工程學院,西安710055)

1 概述

1994年Northridge地震和1995年日本阪神地震中,梁柱節(jié)點在梁柱截面處并沒有出現(xiàn)預想的塑性變形而是都出現(xiàn)了脆性破壞,為了避免這些現(xiàn)象的發(fā)生,研究者提出了采用鋼梁翼緣削弱(RBS)的構造方式,來達到強柱弱梁的抗震要求[1-2]。削弱梁截面的設計使塑性鉸遠離節(jié)點處,內(nèi)移至梁翼緣上,眾多的試驗研究證實了這種改進的有效性。在鋼結構抗彎框架構件中梁柱的尺寸取決于建筑規(guī)范中要求的側向剛度,考慮到結構的經(jīng)濟性,設計工程師經(jīng)常采用深柱來控制結構的抗震側移。國內(nèi)關于鋼框架梁柱剛性連接著重研究的是梁的性能及設計構造,對于柱的研究相對很少,而實際上在削弱梁發(fā)生側向屈曲時,引起的梁翼緣偏心力導致柱翼緣截面扭矩,由此使柱發(fā)生翹曲,影響柱子的穩(wěn)定性,所以研究這種抗彎連接柱的翹曲就很有意義。

大量試驗研究都證明了削弱梁柱節(jié)點的在循環(huán)荷載作用下的延性節(jié)點性能,但是那些試驗的削弱梁節(jié)點中的柱大多都是W14截面,截面高度一般都在400～465 mm,最大的柱截面W24高度也只有大約635 mm,具有一定的局限性[3-4]?？紤]到經(jīng)濟因素,美國建議使用深柱(也就是截面高度比較大的截面)來控制抗彎抵抗框架的抗震側移,Brandon Chi,Uang Chia-Ming.[1]對3組深柱-削弱梁抗彎連接節(jié)點在循環(huán)作用下的性能進行了研究,試驗表明,由于梁受壓翼緣的側向變形產(chǎn)生翼緣偏心力施加在柱子上,柱子上產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力致使柱子翹曲,是由于梁腹板和翼緣的局部屈曲,使得削弱梁產(chǎn)生側向變形,造成梁側向扭轉(zhuǎn)。其中DC-1,DC-2的塑性轉(zhuǎn)角均達到0.03 rad(4%側移角時),而DC-3在柱的k線區(qū)域發(fā)生脆性斷裂,塑性轉(zhuǎn)角為0.028 rad(4%側移角時),主要原因是由于柱的扭轉(zhuǎn)致使柱發(fā)生很大翹曲,產(chǎn)生了很高的翹曲應力。深柱發(fā)生翹曲有2個因素:一是由于削弱梁側向剛度減小很容易發(fā)生側向扭轉(zhuǎn),在梁的上下翼緣產(chǎn)生偏心力,致使柱子受扭;另一個因素是深寬翼緣截面的扭轉(zhuǎn)性能很容易產(chǎn)生很高的翹曲應力。圖1為削弱梁發(fā)生側向變形圖,梁翼緣偏心力F不僅繞梁弱軸發(fā)生彎曲,而且繞柱子扭轉(zhuǎn)。F的值可根據(jù)F=Astfy,其中Ast為削弱處翼緣截面面積,fy為材料設計屈服強度。由于梁的側向扭轉(zhuǎn)屈曲引起傾角θ,使這個力有一個橫向的分力Fsinθ和縱向分力Fcosθ,這2個分力在柱上產(chǎn)生了扭矩eyFsinθ和exFcosθ。這樣施加在柱上的總扭矩為T=F(eysinθ+excosθ)[1]。

基于以上的試驗分析,W27截面的扭轉(zhuǎn)剛度較小也是一個很重要的原因,可以看出研究影響深柱—削弱梁節(jié)點柱的翹曲的因素是非常重要的。

2 計算模型的建立

為了進一步研究深柱—削弱梁剛性節(jié)點的循環(huán)性能,研究影響深柱—削弱梁節(jié)點柱翹曲的因素,變換參數(shù):柱截面,節(jié)點域的強度,梁腹板的長細比,建立5種ANSYS有限元模型。有限元模型梁柱截面尺寸如表1,分析模型的細部構造與Brandon Chi,Uang Chia-Ming.[1]相同。深柱—削弱梁剛性連接節(jié)點如圖2所示。

表1 有限元模型梁柱截面尺寸

采用三維實體元,非節(jié)點區(qū)、非削弱區(qū)梁柱段采用solid45,節(jié)點區(qū)、削弱區(qū)段均采用solid95,Mises屈服準則,塑性區(qū)采用隨動強化模型。材料的屈服應力和極限應力取Brandon Chi,Uang Chia-Ming.[1]A992鋼材的拉伸試驗數(shù)據(jù),螺栓和焊材的材行參考美國鋼結構規(guī)范數(shù)據(jù)。彈性模量E=2.06×106N/mm2,泊松比 v=0.3.預拉伸單元PRETS179施加螺栓預拉力P=226.9 kN。梁柱材料的屈服強度σy=375 MPa,σu=482 MPa,εy=0.1%,εu=30%;連接板、加勁勒、補強板的屈服強度 σy=324 MPa,σu=482 MPa,εy=0.1%,εu=26%;螺栓材料的屈服強度 σy=324 MPa,σu=482 MPa,εy=0.1%,εu=26%。有限元模型網(wǎng)格劃分如圖3所示,加載制度如圖4所示。

圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分圖

圖4 加載制度

2.1 柱截面對節(jié)點柱翹曲的影響

為了研究深柱—削弱梁節(jié)點柱的翹曲,取表格1中D-1、D-2、D-3(均符合AISC 抗震要求)為一組進行計算比較,其中梁均取W36×150,圖5為有限元模型D-1、D-2、D-3中柱最大翹曲值—側移角的柱狀圖。

圖5 D-1、D-2,D-3柱翹曲-側移角柱狀圖

相比D-1、D-2,D-3在3%側移角時,柱的最大翹曲就達到0.03 rad,明顯高于前二者,原因是在3%側移角時D-3削弱梁翼緣和腹板發(fā)生明顯的局部屈曲,造成梁強度降低,造成梁受壓翼緣的平面外變形變大,進而降低了柱W27×194扭轉(zhuǎn)剛度,所以柱的翹曲值迅速增加。而其中W27×194柱的扭轉(zhuǎn)剛度Kθ分別是W36×230和W14×398的2.3和2.8倍,所以D-3在4%,5%側移角時翹曲達到了0.08 rad和0.11 rad。由此可見深柱—削弱梁節(jié)點柱發(fā)生翹曲的大小主要與柱截面的抗扭剛度Kθ有關,截面的抗扭剛度越大,柱發(fā)生的翹曲程度就越小。

2.2 節(jié)點域強度影響

為了研究節(jié)點域強度對深柱—削弱梁抗彎節(jié)點的影響,取表格5中D-3、D-4、D-5為一組進行分析計算,這 3個模型柱均為W27×194,梁為W36×150,節(jié)點域的強度比Rv/Vpz為1.05,0.65,1.25,分別為平衡型節(jié)點域(符合AISC抗震要求2002),弱節(jié)點域,加強型節(jié)點域。節(jié)點域的補強板依次是12.5 mm,0,19 mm。圖6為這組模型柱的翹曲值—側移角柱狀圖,由圖可見弱節(jié)點域節(jié)點柱的翹曲從加載開始到結束都很小,最大只有0.003 rad,在加載側移角達到3%時,加強型節(jié)點域柱的翹曲值增加迅速達到0.05 rad,平衡型節(jié)點域為0.03 rad,在4%側移角時,加強型節(jié)點域以及平衡型節(jié)點域柱翹曲值達到0.08 rad左右,前者略微大點。從圖中可以看出弱節(jié)點域節(jié)點柱的翹曲從加載開始一直到結束都遠遠小于平衡型節(jié)點域和加強型節(jié)點域柱的翹曲,主要原因是弱節(jié)點域型節(jié)點域區(qū)域抗剪強度非常小,削弱梁腹板和翼緣沒有形成有效的局部屈曲,以致于削弱梁沒有發(fā)生側向屈曲變形,導致它的非彈性變形主要集中在柱的節(jié)點域處。而平衡型節(jié)點域和加強型節(jié)點域模型非彈性變形主要發(fā)生在削弱梁區(qū)域,這樣削弱梁就發(fā)生側向屈曲,致使產(chǎn)生了作用在柱上的扭轉(zhuǎn)力,造成柱的翹曲。

圖6 節(jié)點域強度影響下D-3、D-4、D-5柱翹曲-側移角柱狀圖

2.3 梁腹板長細比的影響

為了研究梁腹板長細比對削弱梁節(jié)點的循環(huán)性能的影響,以表格5中D-2和D-3為基礎,建立12個有限元模型,柱采用W27×194和W36×230,梁截面采用W36×135,W36×150,W36×170,W36×194,W36×210,W36×232,W36×256。這些分析模型均符合AISC抗震要求。如圖7所示,經(jīng)過有限元分析畫出4%側移角時12組模型中柱的翹曲值—梁腹板的長細比折線圖,由圖可以看出隨著梁腹板長細比的增大,節(jié)點柱的翹曲減小,造成這種情況的主要原因是粱翼緣力的減小,因為梁腹板長細比越小,梁截面就越重(比如說,W36×135截面腹板長細比為 54,重量確是 381 kg/m;W36×256腹板長細比為34,重量是201 kg/m),這樣造成在小長細比的截面產(chǎn)生的受壓翼緣力就越大,施加在柱上的扭距增大,所以翹曲就增大了。還可以看出W27×194柱的翹曲值比W36×230要大,主要原因是W36×230扭轉(zhuǎn)剛度(Kθ=3 200 kN?m/rad)比W27×194扭轉(zhuǎn)剛度(Kθ=1 400 kN?m/rad)大的多。

圖7 腹板長細比影響下不同截面柱翹曲—側移角柱狀圖

3 結語

變換參數(shù)建立有限元模型進行研究是為了討論柱截面、節(jié)點域的強度、梁腹板的長細比對深柱—削弱梁剛性連接節(jié)點的循環(huán)性能的影響,基于以上分析研究得出以下結論:

(1)深柱—削弱梁節(jié)點柱發(fā)生翹曲的大小主要與柱截面的抗扭剛度Kθ有關,截面的抗扭剛度越大,柱發(fā)生的翹曲程度就越小。一般情況下深柱截面的抗扭剛度都比淺柱要大一些,所以深柱相比淺柱有較小程度的翹曲值。

(2)弱節(jié)點域的深柱—削弱梁節(jié)點柱的翹曲程度很小,由于弱節(jié)點域深柱—削弱梁模型的屈服和塑性變形主要發(fā)生在節(jié)點域處,造成節(jié)點域局部屈曲破壞。而平衡型節(jié)點域和加強型節(jié)點域翹曲程度相對大一些,而且加載的過程中節(jié)點的承載力有明顯的強度退化現(xiàn)象,主要原因是削弱梁翼緣和腹板的局部屈曲,以及削弱梁受壓翼緣的平面外變形造成的。

(3)深柱—削弱梁抗彎連接節(jié)點柱的翹曲大小隨著梁腹板長細比的增加而減小,主要是因為粱翼緣面積的增加抵消了梁腹板長細比的減少,在一定程度上增加了施加在受壓翼緣上的偏心力,進而增加了節(jié)點柱翹曲的大小。

(4)建議在工程實踐中為了減少深柱—削弱梁抗彎連接的側向扭轉(zhuǎn)屈曲造成的平面外變形,在削弱梁區(qū)域提供額外的側向支撐是很有效的。

[1]Brandon Chi,Chia-Ming,Uang.Cyclic Response and Design Recommendations of Reduced Beam Section Moment Connections with Deep Columns[J].Journal of Structural Engineering/APRIL,2002(5):464—468.

[2]陳向榮.翼緣削弱鋼梁(RBS)構件的受力分析和設計[J].鋼結構,2003(2):51.

[3]Xiaofeng Zhang,James M,Ricles.Experimental Evaluationof Reduced Beam Section Connections to Deep Columns[J].Journal of Structural Engineering ASCE/M ARCH,2006(2):346—356.

[4]Xiaofeng Zhang,James M,Ricles.Seismic Behavior of Reduced Beam Section Moment Connections to Deep Columns[J].Journal of Structural Engineering ASCE/MARCH,2006(4):358—360.