計 靜,邢 菲,武英杰,張文福,袁朝慶,張 丹,杜 娟

(1.黑龍江省防災減災工程與防護工程高校重點實驗室 東北石油大學土木建筑工程學院,黑龍江 大慶 163318; 2.大慶石化工程有限公司,黑龍江 大慶 163714)

鋼框架十字型剛性節(jié)點滯回性能分析與設(shè)計

計 靜1,邢 菲1,武英杰2,張文福1,袁朝慶1,張 丹1,杜 娟1

(1.黑龍江省防災減災工程與防護工程高校重點實驗室 東北石油大學土木建筑工程學院,黑龍江 大慶 163318; 2.大慶石化工程有限公司,黑龍江 大慶 163714)

為研究鋼框架十字型剛性節(jié)點構(gòu)件的滯回性能,以軸壓比、H型鋼柱腹板厚度、鋼梁截面形式及加勁肋為參數(shù),設(shè)計8組鋼框架十字型剛性節(jié)點和1組T型剛性節(jié)點;基于簡化的力學模型和材料的本構(gòu)關(guān)系,利用ABAQUS軟件建立有限元模型,分析節(jié)點試件的滯回性能;通過與已有的T型剛性節(jié)點試驗結(jié)果對比,兩者吻合較好,驗證有限元模型的合理性.開展十字型節(jié)點仿真分析,提取節(jié)點荷載—位移滯回曲線、包絡(luò)圖、骨架曲線和應(yīng)力云圖,獲得柱軸壓比、H型鋼柱腹板厚度、鋼梁截面形式及加勁肋對該類節(jié)點抗震性能的影響規(guī)律,并對軸壓比、柱腹板與翼緣厚度比提出設(shè)計建議.結(jié)果表明:柱軸壓比設(shè)計限值建議取為0.5,柱腹板與翼緣厚度比設(shè)計限值建議取為0.75.當截面形式為H型鋼時,十字型剛性節(jié)點的抗震性能良好,并且優(yōu)于截面形式為鋼管的,節(jié)點域設(shè)置橫向加勁肋可有效提高節(jié)點的抗震性能.

十字型剛性節(jié)點;滯回性能;有限元分析;T型節(jié)點;抗震性能;橫向加勁肋;抗震設(shè)計

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)以自重輕、強度高、延性好、抗震性能優(yōu)越和布局靈活等優(yōu)點在土木工程結(jié)構(gòu)中被廣泛應(yīng)用[1-5].近年來,鋼框架與壓型鋼板混凝土組合樓板的結(jié)合使鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑中應(yīng)用的越來越多,已成為主要的建筑結(jié)構(gòu)體系.鋼結(jié)構(gòu)本身具有一定的特殊性,鋼框架節(jié)點的力學性能直接影響鋼結(jié)構(gòu)的安全性和適用性,因此確保結(jié)構(gòu)節(jié)點有較好的抗震能力是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵.

人們對不同的節(jié)點形式開展試驗研究和理論分析,劉燕[6]等通過在梁腹板上開洞,分析削弱型節(jié)點的滯回性能,結(jié)果表明梁腹板削弱型節(jié)點塑性變形能力較好,能有效減小梁翼緣處的應(yīng)力.戴紹斌[7]等對翼緣削弱型剛性連接節(jié)點進行低周反復荷載作用下試驗研究和非線性有限元分析,結(jié)果表明翼緣削弱型剛性連接節(jié)點具有較大的連接剛度和理想的耗能性能,梁翼緣處的焊縫強度是影響翼緣削弱型剛性連接節(jié)點性能的主要因素.王秀麗等對鋼框架梁腹板開孔型連接節(jié)點力學性能開展試驗研究,探討梁柱節(jié)點域滯回性能,利用ABAQUS有限元軟件探討不同塑性鉸位置對結(jié)構(gòu)延性的影響,結(jié)果表明可降低連接焊縫脆性破壞的可能性,有效控制塑性鉸的位置,從而改善框架結(jié)構(gòu)的整體延性[8].陳宏等針對4種構(gòu)造形式的鋼框架梁柱節(jié)點進行非線性有限元分析,將節(jié)點的力學性能與試驗結(jié)果進行對比,結(jié)果表明吻合良好,并提出改進型節(jié)點形式[9].人們也開展樓板和墻體對剛性節(jié)點力學性能的影響分析研究,考慮組合效應(yīng)后節(jié)點的剛度和承載力得到提高,滯回性能和抗震能力得到改善[10-15].

為研究不同構(gòu)造對鋼框架端板連接半剛性節(jié)點受力性能的影響,石永久等[13]開展鋼框架端板連接半剛性節(jié)點受力性能分析,探討鋼框架端板連接半剛性節(jié)點的受力性能,結(jié)果表明平齊式端板連接的特性更接近于鉸接節(jié)點,承載力和剛度降低近50%,而外伸端板采用加勁肋后,可以使節(jié)點獲得良好受力性能.Jun Jin[14]開展T型剛性節(jié)點擬靜力試驗研究,得到T型節(jié)點彎矩—轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線,提出節(jié)點的抗震設(shè)計方法,結(jié)論具有一定的局限性.

盡管對不同節(jié)點的研究較多,但對實際工程提出可操作性的設(shè)計建議較少,針對軸壓比、H型鋼柱腹板厚度、鋼梁截面形式及加勁肋對鋼框架十字型剛性節(jié)點滯回性能的數(shù)值分析尚未見報道.筆者采用ABAQUS有限元軟件[15-16]開展8組鋼框架十字型剛性節(jié)點和1組T型節(jié)點的滯回性能分析,考察不同參數(shù)對十字型節(jié)點力學性能的影響,探索試件的剛度退化、耗能能力、承載力和延性等抗震性能指標,提出對實際工程具有可操作性的設(shè)計建議,為該類節(jié)點的設(shè)計提供依據(jù),為開展鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點的抗震性能試驗提供指導.

1 試件設(shè)計

為考察軸壓比、H型鋼柱腹板厚度、鋼梁截面形式及加勁肋參數(shù)對十字型節(jié)點抗震性能的影響,基于GB 50017-2012《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》,設(shè)計8組不同參數(shù)控制下的十字型剛性焊接節(jié)點,試件參數(shù)見表1.

表1 試件主要參數(shù)Table 1 The main parameters of specimens

以節(jié)點試件JD-2作為標準試件,柱截面尺寸為400 mm×300 mm×10 mm×16 mm,高度為3 000 mm;H型鋼梁截面尺寸為300 mm×200 mm×8 mm×12 mm,長度為1 500 mm.試件變化參數(shù)為軸壓比、H型鋼柱腹板厚度、鋼梁截面形式及有無加勁肋.軸壓比分別為0.2、0.4、0.6,H型鋼柱腹板厚度分別為10、12、14 mm;以梁柱接觸面積為定值,改變梁截面形式,梁截面分別取為H型鋼、圓鋼管、方鋼管;柱腹板橫向加勁肋設(shè)置在梁柱交匯處,尺寸為368 mm×145 mm×12 mm.部分試件三維幾何模型見圖1.同時,設(shè)計一組T型剛性節(jié)點試件,編號為EERC-PN1,尺寸和力學性能見表2,其中尺寸、截面形式與文獻[14]的試驗節(jié)點完全相同,用于驗證有限元模型分析的正確性.為方便應(yīng)用和計算,將文獻[14]采用的英制單位轉(zhuǎn)換為國際單位制.

圖1 節(jié)點三維幾何實體模型Fig.1 Three-dimensional geometry entity model of nodes

表2 EERC—PN1試件尺寸及力學性能Table 2 EERC—PN1 component size and mechanical properties

2 ABAQUS有限元建模

2.1 簡化力學模型

十字型和T型節(jié)點簡化力學模型見圖2,其中N為作用在柱上的恒定軸力;P為施加在梁端的反復低周荷載.框架梁柱交匯形成節(jié)點,節(jié)點受力比較復雜,將框架柱取上下柱各一半,兩端形成鉸支座,下端約束水平X、豎向Y方向的位移,上端約束水平X方向位移,構(gòu)件可以轉(zhuǎn)動,在柱頂施加恒定軸力.框架梁兩端各取一半,形成自由端,施加反復荷載.

圖2 節(jié)點簡化力學模型Fig.2 Simplified mechanical model of nodes

2.2 鋼材本構(gòu)模型

鋼材采用Q345鋼,力學性能見表3.考慮節(jié)點滯回分析發(fā)生的位移較大,鋼材屈服后進入強化階段,應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而增大,因此鋼材本構(gòu)模型采用雙線性隨動強化模型,強化階段斜率取為0.05Es(Es為彈性模量),簡化的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線見圖3,其中fy為屈服強度.

表3 鋼材力學性能Table 3 Mechanical index of steel

2.3 有限元模型

2.3.1 單元選取與整體節(jié)點形成

采用ABAQUS有限元軟件[15-16]進行節(jié)點滯回非線性分析,其中H型鋼柱、H型鋼梁、圓鋼管、方鋼管、加勁肋及墊板采用8節(jié)點線性減縮積分格式的三維實體單元C3D8R建立,為使鋼管受力均勻,在圓鋼管梁端部布置剛性墊板.在裝配功能模塊中創(chuàng)建梁、柱、墊板部件,將各部件裝配起來,各部件間采用“綁定”的方式接觸;該類約束允許綁定兩個網(wǎng)格劃分完全不同的區(qū)域,且綁定后的部件間不發(fā)生相對運動.

圖3 鋼材應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.3 The stress-strain curve of steel

2.3.2 節(jié)點網(wǎng)格劃分

結(jié)合十字型節(jié)點模型的特點,采用掃掠網(wǎng)格劃分技術(shù)對建立的非獨立實體相對應(yīng)的部件進行網(wǎng)格劃分,得到相對較容易收斂的六面體單元.不同截面形式的梁構(gòu)成的節(jié)點劃分網(wǎng)格后的有限元模型見圖4.

圖4 節(jié)點有限元模型Fig.4 Finite element models of nodes

2.3.3 邊界約束與荷載施加

結(jié)合十字型節(jié)點的受力特點,將節(jié)點有限元模型柱底和柱頂?shù)腢1、U2、UR2、UR3自由度進行約束,即形成鉸接約束.加載方式采用擬靜力加載方式,首先根據(jù)軸壓比計算軸向壓力,將軸向壓力以面荷載的形式施加在柱頂,在后續(xù)分析中保持軸向壓力不變;然后采用位移約束方式分別在梁端施加反復位移荷載,加載方案見圖5,其中δ為位移加載量,n為加載循環(huán)次數(shù).施加邊界約束與荷載后的有限元模型見圖6.

圖5 循環(huán)加載方案Fig.5 Cyclic loading program

圖6 施加邊界約束與荷載后的有限元模型Fig.6 Finite element models after constraining and loading

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 有限元模型驗證

通過文獻[14]獲得試驗節(jié)點荷載—位移滯回曲線,轉(zhuǎn)化成彎矩—轉(zhuǎn)角滯回曲線(見圖7(b)的虛線).對ABAQUS有限元軟件建立的EERC-PN1節(jié)點有限元模型進行非線性分析,試件參數(shù)及加載方案與試驗相同,提取EERC-PN1試件的荷載—位移滯回曲線(見圖7(a)).通過轉(zhuǎn)化獲得彎矩—轉(zhuǎn)角滯回曲線[13](見圖7(b)的實線),由圖7可見,兩者吻合良好,表明有限元模型建立方法正確.

3.2 試件滯回曲線

利用ABAQUS有限元軟件開展8組試件的滯回分析,從Visualization模塊中提取試件的荷載—位移滯回曲線數(shù)據(jù),利用excel軟件繪制荷載—位移滯回曲線(見圖8),不同試件提取包絡(luò)圖的結(jié)果見圖9.

圖7 EERC-PN1試件有限元結(jié)果Fig.7 Finite element results of EERC-PN1

圖8 不同試件的荷載—位移滯回曲線Fig.8 Load-displacement hysteresis curves of different specimens

圖9 不同試件的包絡(luò)圖Fig.9 Envelope diagram of different specimens

由圖8可見,8組試件的荷載—位移滯回曲線比較飽滿,表現(xiàn)較好的塑性性能.由圖9(a)可見,試件JD-1、JD-2和JD-3包絡(luò)面積分別為3 501.4、3 681.5和3 376.2 k N·mm;由圖9(b)可見,試件JD-2、JD-4和JD-5包絡(luò)面積分別為3 681.5、3 956.5和3 898.3 k N·mm;由圖9(c)可見,試件JD-2、JD-6和JD-7包絡(luò)面積分別為3 681.5、2 324.1和1 161.3 k N·mm;由圖9(d)可見,試件JD-2和JD-8包絡(luò)面積分別為3 681.5和3 702.9 k N·mm.8組試件的滯回曲線呈紡錘形,滯回環(huán)飽滿,試件JD-1—JD-5、JD-8具有良好的耗能能力,試件JD-6和JD-7包絡(luò)面積較小,耗能能力相對較差.

由圖8和圖9可見:當軸壓比為0.2～0.4時,隨著軸壓比的增大,滯回環(huán)包絡(luò)面積增加,節(jié)點耗能能力增大;當軸壓比為0.4～0.6時,隨著軸壓比的增大,包絡(luò)圖面積減小,節(jié)點耗能能力降低.隨著柱腹板厚度的增加,滯回環(huán)越飽滿,節(jié)點耗能能力增大,延性增加;當腹板厚度過厚時,滯回環(huán)包絡(luò)面積略有減小,節(jié)點耗能能力稍有下降.當梁截面形式為H型鋼時滯回環(huán)最飽滿,包絡(luò)面積最大,節(jié)點耗能能力最強,延性最大,承載力最高;當梁截面形式為圓鋼管時,各項指標與H型鋼梁相比均有下降;當梁截面形式為方鋼管時,節(jié)點承載力最低,耗能能力和延性最差;設(shè)置加勁肋的節(jié)點滯回環(huán)更加飽滿,包絡(luò)面積增大,延性增加.

3.3 骨架曲線

試件滯回環(huán)最大值的連線形成骨架曲線,8組試件的骨架曲線見圖10.由圖10(a)可見,當軸壓比分別為0.2、0.4和0.6時,隨著軸壓比的增大,試件JD-1、JD-2和JD-3的節(jié)點承載力先增大后減小,節(jié)點初始剛度變化不明顯.由圖10(b)可見,當柱腹板與翼緣厚度比為0.625～0.750時,隨柱腹板厚度增加,試件JD-2、JD-4和JD-5的節(jié)點承載力及初始剛度變化不明顯;當柱腹板與翼緣厚度比為0.750～0.875時,節(jié)點承載力及初始剛度隨柱腹板厚度增加有減小趨勢.整體上,柱腹板厚度對十字型節(jié)點的影響不大,主要原因是“強柱弱梁”型節(jié)點的承載力及剛度主要是由鋼梁控制的.由圖10(c)可見,改變梁截面形式對節(jié)點的承載力及初始剛度影響較大,當梁截面形式為H型鋼時,試件JD-2、JD-6和JD-7的節(jié)點承載力和初始剛度最高;當梁截面形式為圓鋼管時,各項指標與H型鋼梁相比均有下降;當梁截面形式為方鋼管時,節(jié)點承載力及初始剛度最低.由圖10(d)可見,在節(jié)點處設(shè)置加勁肋,可有效提高試件JD-2和JD-8的節(jié)點初始剛度,節(jié)點屈服承載力明顯增大.

圖10 試件骨架曲線Fig.10 The skeleton curves of specimens

3.4 應(yīng)力分析

利用ABAQUS有限元軟件的Visualization模塊,查看試件節(jié)點的應(yīng)力云圖(見圖11).由圖11可見,試件節(jié)點最大應(yīng)力均出現(xiàn)在梁上下翼緣與柱相接處,即彎矩最大處,材料已進入屈服階段,可見節(jié)點梁柱連接處最容易發(fā)生破壞.各試件梁翼緣與柱相接處最大應(yīng)力見表4.由表4可見,隨著軸壓比的增大,梁翼緣與柱連接處最大應(yīng)力先增大后減小;隨著柱腹板厚度增加,最大應(yīng)力減小;試件JD-8節(jié)點梁柱連接處最大應(yīng)力明顯降低,僅為285.33 MPa,可見設(shè)置橫向加勁肋可有效降低節(jié)點連接處的應(yīng)力,耗能能力強,表現(xiàn)出較好的抗震性能;試件JD-6、JD-7節(jié)點處最大應(yīng)力已達到鋼材的極限強度,節(jié)點發(fā)生破壞,說明圓鋼管或方鋼管構(gòu)成的節(jié)點抗震性能是較差的.

表4 梁翼緣與柱相接處應(yīng)力Table 4 The stress for at the connection position of beam flange and column

4 設(shè)計建議

(1)分析時,在采用的軸壓比中軸力和材料強度是標準值,在工程中進行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用軸壓比設(shè)計值,兩者之間換算關(guān)系為

式中:N為軸向壓力;Nk為軸向壓力標準值;fy為鋼材抗拉強度設(shè)計值;fyk為鋼材抗拉強度標準值;A為型鋼截面面積.

圖11 不同試件的節(jié)點應(yīng)力云圖Fig.11 Node stress nephogram for different specimens

對于梁柱截面為H型鋼的節(jié)點形式,節(jié)點柱的軸壓比小于0.4時,節(jié)點承載力、耗能能力隨著軸壓比的增大而增大;當軸壓比為0.4～0.6時,節(jié)點承載力、耗能能力隨著軸壓比的增大而減小,但延性降低不明顯,說明軸壓比為0.4是節(jié)點抗震承載力的限值.通過式(1)換算軸壓比為0.4對應(yīng)的軸壓比設(shè)計值為0.53,因此為確保節(jié)點抗震承載力滿足要求,柱軸壓比設(shè)計限值建議取為0.5.

(2)鋼框架十字型剛性節(jié)點鋼梁截面形式為H型鋼時,節(jié)點在反復荷載作用下的滯回曲線相當飽滿,節(jié)點抗震性能良好,且遠遠優(yōu)于圓鋼管及方鋼管的截面形式,因此在設(shè)計時梁柱宜采用H型截面形式.GB 50017-2012《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》在梁的受壓和受拉翼緣處,給出柱腹板厚度tw和柱翼緣板厚度tc相應(yīng)規(guī)定,在地震作用下,鋼框架梁端將反復經(jīng)歷拉壓過程,因此建議節(jié)點域柱腹板、翼緣板厚度保持不變,避免在節(jié)點域?qū)χM行焊接.

(3)柱腹板與翼緣厚度比不宜過大,當比值小于0.75時,節(jié)點承載力隨比值增大變化不明顯,但節(jié)點的耗能能力明顯增加;當比值大于0.75時,節(jié)點承載力、耗能能力隨著比值的增大而減小,因此柱腹板與翼緣厚度比限值取為0.75.

(4)設(shè)置橫向加勁肋的試件承載能力強,同等位移下與未設(shè)置橫向加勁肋的試件相比,節(jié)點材料應(yīng)力偏小,說明通過在節(jié)點處設(shè)置橫向加勁肋能夠提高節(jié)點的抗震性能.橫向加勁肋能夠傳遞梁翼緣傳來的集中力,為增強抗剪能力,可在節(jié)點域布置斜向加勁肋,以傳遞節(jié)點域承擔剪力之外的剪力.節(jié)點域的抗剪強度應(yīng)滿足:

式中:Mb1、Mb2分別為梁兩端彎矩;Vp為節(jié)點域剪力;fv為節(jié)點域抗剪強度.

5 結(jié)論

(1)利用ABAQUS有限元軟件,對鋼框架十字型剛性節(jié)點的抗震性能進行分析,以軸壓比、H型鋼柱腹板厚度、鋼梁截面形式及加勁肋為參數(shù),設(shè)計8組鋼框架十字型剛性節(jié)點和1組T型剛性節(jié)點,給出簡化的力學模型和材料的本構(gòu)關(guān)系,建立相應(yīng)的有限元模型.

(2)基于T型節(jié)點分析,開展十字型節(jié)點仿真分析,獲得節(jié)點荷載—位移滯回曲線,提取包絡(luò)圖、骨架曲線和應(yīng)力云圖并進行對比,分析軸壓比、H型鋼柱腹板厚度、梁截面形式及加勁肋對該類節(jié)點抗震性能的影響規(guī)律.

(3)對軸壓比、柱腹板與翼緣厚度比提出設(shè)計建議,柱軸壓比設(shè)計限值建議取為0.5,柱腹板與翼緣厚度比限值取為0.75.當截面形式為H型鋼時,該類節(jié)點的抗震性能良好,遠遠優(yōu)于鋼管截面的,設(shè)置橫向加勁肋可有效提高節(jié)點的抗震性能.

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TU324.5

A

2095- 4107(2014)01- 0102- 10

2013- 10- 18;編輯:任志平

教育部高等學校博士學科點專項科研基金項目(新教師類:20122322120004);黑龍江省自然科學基金面上項目(E201336);國家自然科學基金項目(51178087)

計 靜(1977-),男,博士,教授,主要從事土木結(jié)構(gòu)工程方面的研究.

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2014.01.016