何浩祥, 陳 奎, 李瑞峰

(1．北京工業(yè)大學工程抗震與結構診治北京市重點實驗室 北京，100124)(2．首都世界城市順暢交通北京市協(xié)同創(chuàng)新中心 北京，100124)

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采用低屈服點金屬的可置換式鋼節(jié)點減震分析*

何浩祥1,2, 陳 奎1, 李瑞峰1

(1．北京工業(yè)大學工程抗震與結構診治北京市重點實驗室 北京，100124)(2．首都世界城市順暢交通北京市協(xié)同創(chuàng)新中心 北京，100124)

傳統(tǒng)鋼結構節(jié)點設計通常不能充分達到預期抗震要求，而以梁端削弱型梁柱節(jié)點雖然能夠初步實現(xiàn)“強柱弱梁”，但可能在削弱區(qū)產生局部屈曲和整體側移，在強震下安全儲備不足。針對此問題，基于可恢復功能減震結構的理念，提出采用低屈服點金屬的梁端削弱更換式梁柱節(jié)點。該節(jié)點利用低屈服點材料對翼緣和腹板的削弱處進行填補，在地震中低屈服點金屬率先屈服并充分耗能，可降低節(jié)點主體的損傷，并可在震后對低屈服點金屬進行更換。選取低屈服點鋼材作為置換材料，通過材料性能試驗獲得相應的材料本構。在此基礎上，對比分析低周往復加載下不同的抗震減震性能和損傷特征。采用多尺度有限元建模方式對采用不同類型節(jié)點的鋼框架進行彈塑性時程分析。結果表明，可置換式節(jié)點能夠將主要損傷控制在置換材料內，并具有更強的耗能能力、可恢復能力和安全儲備。

耗能減震； 低屈服點金屬； 多尺度模型； 可置換節(jié)點； 局部屈曲

引 言

在多高層鋼結構框架抗震設計中，梁柱節(jié)點的連接形式和耗能能力占有重要的地位，直接關系到鋼結構整體的安全性和可靠性。目前，鋼結構梁柱節(jié)點通常采用柱貫通型連接，典型梁柱剛性節(jié)點構造形式為鋼梁翼緣與柱焊接、鋼梁腹板與柱焊接或高強度螺栓連接。早期的鋼節(jié)點設計假定翼緣連接承受全部彎矩而梁腹板只承受全部剪力，然而該連接的抗彎承載力只有梁本身抗彎承載力的80%左右，違背了抗震設計中“強節(jié)點弱構件”的基本原則[1-3]。在1994年美國北嶺地震和1995年日本阪神地震中，多個鋼結構房屋梁柱剛性連接節(jié)點脆性斷裂的現(xiàn)象使設計者意識到傳統(tǒng)剛性節(jié)點設計并未充分達到預期的抗震設計要求[4]。由此，各國學者提出了多種改進方法，其中塑性鉸外移法成為研究熱點，該法力圖將梁的應力集中區(qū)從節(jié)點附近向外偏移，避免脆性破壞的發(fā)生，主要包括梁端削弱和梁端加強兩種方式[5]。

狗骨型節(jié)點和腹板開洞型節(jié)點是梁端削弱式梁柱節(jié)點的典型代表[5-6]，兩者均針對普通節(jié)點塑性區(qū)較小的不足，分別通過對鋼梁的翼緣和腹板進行合理的削弱，使得梁體在地震時能夠產生一定長度的塑性鉸從而充分耗能, 實現(xiàn)延性設計。然而，梁端削弱式節(jié)點也存在以下不足：a.當翼緣或腹板被削弱后，構件整體剛度會降低，設計不當將存在安全隱患；b.在大震作用下削弱處將存在較嚴重的累積塑性應變并可能發(fā)生嚴重屈曲和側向偏移，如果有余震產生，鋼梁將發(fā)生二次損傷從而徹底破壞；c.局部削弱式節(jié)點在地震之后的修復技術復雜，成本較高。

近年來，可恢復功能結構(resilient structure)的理念應運而生并不斷發(fā)展?？苫謴凸δ芙Y構是指地震后不需修復或稍加修復即可恢復其使用功能的結構，從結構形式上有多種實現(xiàn)方法[7-8]，但由于土木工程結構設計和施工技術的復雜性，目前在土木工程領域的實際應用還很少，國內外關于鋼結構構件在嚴重受損后可更換性方面的研究成果也較少[9-10]。鑒于此，并針對目前梁端削弱型鋼框架梁柱節(jié)點的不足，筆者提出一種采用低屈服點金屬的可置換式鋼結構梁柱節(jié)點。該新型節(jié)點采用低屈服點的金屬材料對鋼梁的翼緣和腹板削弱處進行填補，在地震時低屈服點金屬率先進入變形并充分耗能，能夠提高節(jié)點整體抗震性能。此外，通過合理地設置削弱和填補尺寸，可以將累積塑性應變基本控制在低屈服點金屬內，避免梁和節(jié)點出現(xiàn)較大變形，從而在震后可以快速簡便地完成節(jié)點修復工作，體現(xiàn)了可恢復功能結構的思想。

在評價不同鋼結構梁柱節(jié)點抗震減震性能時，除了采用低周往復加載試驗或模擬分析外，也應重視地震作用下節(jié)點在框架整體振動中的性能，一般可采用非線性動力時程分析方法。目前，常用的工程非線性分析主要包括基于宏觀單元的整體分析和基于實體單元的局部分析。宏觀模型主要采用桿、殼等單元，計算量雖然小，但不能完整地反映結構破壞的微觀機理，如結構的局部失穩(wěn)、節(jié)點破壞及接觸問題等?；趯嶓w單元的精細分析，雖然可以較好地模擬結構的局部破壞過程，但計算量大，且易出現(xiàn)計算不收斂等現(xiàn)象[11-12]。多尺度模型主要對不同尺度的力學行為采用不同的單元進行模擬，進而組合成多尺度有限元模型，因此多尺度計算可在精度和計算代價之間達成一個較好的平衡點。近年來，國內外學者對采用多尺度分析中的界面的連接、約束條件設定等問題進行了深入研究，并采用多尺度建模方法對工程結構的靜動力特性進行了深入分析，驗證了多尺度分析的精確性和有效性[11-14]。筆者選擇LY160鋼材作為可置換式節(jié)點使用的低屈服點金屬材料，通過材料性能試驗獲得相應的材料本構曲線。在此基礎上利用有限元軟件分析了低周往復加載下傳統(tǒng)節(jié)點、梁端削弱型節(jié)點和可置換式節(jié)點的抗震減震性能，并對比了不同節(jié)點的耗能能力和局部屈曲特征。最后采用多尺度有限元建模方式對具有不同類型節(jié)點的鋼框架進行了地震彈塑性時程分析，驗證了可置換式節(jié)點在抗震減震方面具有優(yōu)越性。

1 采用低屈服點金屬的可置換式節(jié)點

目前常見的梁端削弱式梁柱節(jié)點分為兩種，梁端翼緣削弱型和梁腹板削弱型，具體構造如圖1所示?？梢罁?jù)文獻[15]確定梁翼緣削弱參數(shù)，假定bf和hb分別為梁的翼緣寬度和梁截面高度，其中削弱起始點至柱面距離a可取為0.50bf～0.75bf，削弱長度b可取為0.65hb～0.85hb，削弱深度c可取為0.20bf～0.25bf，圓孔半徑R可取為0.25hb～0.375hb。

圖1 梁端削弱型鋼節(jié)點Fig.1 Beam end weaken steel connection

針對梁端削弱式節(jié)點在罕遇地震下可能出現(xiàn)嚴重屈曲和梁體側向偏移的不足，筆者提出采用低屈服點金屬的梁端更換式梁柱節(jié)點，其構造如圖2所示。該節(jié)點借鑒削弱型節(jié)點的構造，但是為了在保證結構承載力的前提下更好地體現(xiàn)低屈服點材料的性能，首先削弱和去除鋼梁端部翼緣和腹板的部分原有鋼材，之后通過焊接等方式將削弱部分更換為屈服點較低并且耗能能力強的金屬材料。為了充分發(fā)揮低屈服點金屬的耗能能力，建議相應的削弱參數(shù)取傳統(tǒng)削弱式節(jié)點取值范圍中的較大值。在地震中，低屈服點金屬材料率先進入變形并達到屈服階段，從而形成梁端塑性鉸進行耗能減震，而節(jié)點原有部分不產生嚴重的塑性變形，保證節(jié)點整體抗震性能。主震作用后，可迅速更換低屈服點金屬使節(jié)點整體抗震性能得到恢復，使鋼結構節(jié)點和框架整體具備抵抗余震的能力。

圖2 梁端削弱更換式鋼框架梁柱抗震節(jié)點Fig.2 Beam end weaken replaceable connection

2 低屈服點金屬的材料性能

梁端削弱式節(jié)點減震作用的關鍵技術之一是選取具有較低屈服強度和延伸率的耗能材料。目前國內外關于利用低屈服點金屬進行減震的理論研究較多，但能夠達到工程應用的材料較少[16-17]。筆者選擇國產低屈服點鋼LY160(屈服點約為160 MPa)作為低屈服點耗能材料。為了獲取并對比不同鋼材的真實材料性能參數(shù)，選用Q345鋼、Q235鋼以及LY160鋼3種材料并分別加工制作了3個相同拉伸試驗尺寸的試件，根據(jù)文獻[18]的方法進行試驗，通過試驗測得每組的平均值作為最終結果。

標準試件尺寸、拉伸試驗現(xiàn)場及不同材料試件斷裂后的圖片如圖3所示。3種鋼材各自的平均應力應變曲線如圖4所示。從拉伸試驗的應力應變曲線中可以得到：Q345鋼、Q235鋼和LY160鋼的實測屈服強度分別為385,275和160 MPa；實測延伸率分別為23%,27%和31%。通過以上數(shù)據(jù)可以認為，LY160鋼具有預期的低屈服點以及優(yōu)良的延展性和韌性，能夠在較大變形下充分耗能，且保證結構的承載力不發(fā)生較大變化，保證結構主體的穩(wěn)定性，因此作為可置換式鋼節(jié)點的低屈服點材料進行使用。

圖3 試件尺寸、拉伸試驗和斷裂形態(tài)Fig.3 Specimen size tensile test and fracture morphology

圖4 不同鋼材的本構曲線Fig.4 Constitutive curve of different steel

3 可置換式鋼節(jié)點減震性能模擬

為了驗證采用低屈服點金屬的可置換式的鋼節(jié)點的減震性能，筆者利用ANSYS有限元軟件分別建立傳統(tǒng)梁柱節(jié)點、腹板開洞和翼緣削弱式梁柱節(jié)點及可置換低屈服點金屬的梁柱節(jié)點模型，并進行了低周往復加載下的非線性分析，從而對節(jié)點的滯回耗能能力進行研究。節(jié)點模型的梁和柱均采用H型鋼，主體材料為Q345鋼，低屈服點金屬為LY160鋼。柱子截面的尺寸為HW450 mm×300 mm×20 mm×12 mm，梁截面的尺寸為HN400 mm×200 mm×12 mm×12 mm。削弱型節(jié)點的尺寸參數(shù)在上文提及的取值范圍中選擇，參見表1。同時，為了對比分析不同置換尺寸下的梁柱節(jié)點對結構抗震性能的影響，選擇3種不同置換尺寸，參數(shù)也如表1所示。

表1 削弱和置換尺寸

在各節(jié)點的柱兩端施加固定約束，梁端施加位移約束并進行循環(huán)往復荷載，采用位移增量控制。初始狀態(tài)為0，逐步加載，位移增量步長為每級12 mm，每級循環(huán)2次，總12級，直到構件屈曲破壞。梁端加載位移達到144 mm時，不同類型的節(jié)點等效應力圖如圖5～圖7所示。

由以上結果可以看出，達到極限位移時，傳統(tǒng)節(jié)點的應力極值集中在梁端部與柱連接處，梁端形成塑性鉸發(fā)生明顯局部屈曲，受損后的維修不便。削弱式梁柱節(jié)點的塑性鉸外移到梁上削弱處，在削弱處產生了嚴重的局部屈曲和側向大變形，表明節(jié)點已經發(fā)生較嚴重破壞，抗震能力不能滿足要求?？芍脫Q式節(jié)點的變形和傳統(tǒng)節(jié)點比較接近，但塑性鉸外移到置換金屬處，其局部屈曲和耗能主要發(fā)生在低屈服點置換材料內部，而主體材料的破壞相對較小，在損傷后將低屈服點材料置換后仍然具備足夠的抗震能力和可恢復能力。不同梁柱節(jié)點的滯回曲線如圖8所示?？梢钥闯?，可置換式節(jié)點和傳統(tǒng)節(jié)點的滯回環(huán)比較飽滿，而削弱式梁柱節(jié)點的滯回環(huán)面積明顯減小，且后期承載力下降較快，耗能能力明顯不足。

圖5 傳統(tǒng)梁柱節(jié)點應力云圖Fig.5 Stress of traditional beam-column connection

圖6 削弱式梁柱節(jié)點應力云圖 Fig.6 Stress of beam-weaken connection

圖7 可置換金屬梁柱節(jié)點應力云圖Fig.7 Stress of replaceable connection

圖8 不同梁柱節(jié)點的滯回曲線比較Fig.8 Hysteresis curves of different connections

為了更直觀地比較不同類型節(jié)點的耗能能力，選用等效滯回阻尼比以及Park-Ang損傷指數(shù)[19]計算模型來分別考慮不同節(jié)點在低周往復荷載下的性能。

等效滯回阻尼比ξ為

(1)

其中：ED為結構單周期運動滯回阻尼耗能，等于滯回環(huán)包圍的面積；ES為最大應變能。

Park-Ang損傷指數(shù)DI為

(2)

其中:xcu為構件在單調加載下的極限位移；Fy為構件的屈服強度；xm和Eh為構件實際的地震最大變形和累積滯變耗能；β為構件耗能因子，本研究按照0.15取值。

計算各節(jié)點在不同位移下的等效滯回阻尼比曲線和Park-Ang損傷指數(shù)曲線，分別如圖9和圖10所示。從圖中可以看出,在低周往復加載下，傳統(tǒng)節(jié)點的等效滯回阻尼比增長相對緩慢，在節(jié)點發(fā)生較大變形時相對穩(wěn)定，但此時損傷指數(shù)急劇增長，表明傳統(tǒng)節(jié)點的滯回耗能能力和延性均較低，損傷較嚴重。雖然削弱式節(jié)點的等效滯回阻尼比傳統(tǒng)節(jié)點的大，后期已經達到了0.45以上，有較強的耗能能力和延性，但是通過損傷指數(shù)可以看出削弱節(jié)點損傷最為嚴重，過早出現(xiàn)了局部屈曲破壞并喪失了承載能力。3個置換式節(jié)點的等效滯回阻尼比隨著滯回次數(shù)穩(wěn)定而快速地增長，后期均達到了0.45。置換式節(jié)點損傷指數(shù)在位移較小時大于傳統(tǒng)節(jié)點的指數(shù)，但隨著位移的增加其增速變緩，在位移較大時已小于傳統(tǒng)節(jié)點的。這表明在往復加載下置換式節(jié)點由于低屈服點鋼材先屈服而進行充分耗能，由于低屈服點鋼材具有良好的延伸率，因而置換式節(jié)點在后期損傷相對較小，仍能保持完整性。

圖9 不同節(jié)點的等效阻尼比對比Fig.9 Equivalent damping ratio of different connections

圖10 不同節(jié)點的損傷指數(shù)對比Fig.10 Damage index of different connections

綜上所述，可置換節(jié)點比傳統(tǒng)節(jié)點具有更好的延性耗能能力，并且可以使塑性鉸外移到梁上，避免在梁柱節(jié)點處形成塑性鉸使結構發(fā)生脆性斷裂破壞。此外，在低屈服點金屬發(fā)生屈曲變形后可進行置換，防止余震下的結構破壞。狗骨式節(jié)點雖然能夠使塑性鉸外移到梁上削弱部位，但其承載力下降比較明顯，在削弱處易產生應力集中和屈曲變形，并且后期延性耗能能力比較差。因此，可置換梁柱節(jié)點具有比其他兩種節(jié)點更好的抗震性能。

為了比較不同置換尺寸對節(jié)點性能的影響，對3種置換式梁柱節(jié)點采用相同位移控制的低周往復加載。在梁端進入到彈塑性變形時，不同置換尺寸下的梁柱節(jié)點均在置換部位產生了屈曲變形，3種尺寸下的承載能力基本相同。筆者采用置換節(jié)點2進行后續(xù)研究。

4 基于多尺度的減震鋼框架性能分析

圖11 全實體和多尺度模型及尺寸(單位：mm)Fig.11 All entities and multi-scale models and section size(unit:mm)

為了研究采用不同類型節(jié)點的鋼框架結構在地震作用下的動力性能，筆者利用有限元分析軟件ANSYS對兩層鋼框架結構進行地震動下的彈塑性時程分析。結構和詳細尺寸如圖11所示。有限元模擬中軸壓比為0.3，附加質量為1.6t。由于全實體建模計算效率低，因此對多尺度建模和分析的效果進行了研究，同時建立了全實體模型和多尺度模型。在全實體模型中，梁柱均選用SOLID95實體單元；在多尺度模型中，梁柱節(jié)點部分選用SOLID95實體單元；其他部位選用BEAM188梁單元。不同單元之間通過建立約束方程和定義剛性連接區(qū)來模擬實際連接，確保了模擬精度。

采用El Centro波作為地震動進行時程分析，加速度峰值調幅至為0.70g，持續(xù)時間取16 s。在相同網(wǎng)格尺度劃分精度下，全實體模型和多尺度模型的頂部位移時程曲線如圖12所示，二者結果十分接近。以上結果表明，采用多尺度模型進行靜力和動力分析均具有令人滿意的精度。時程分析中采用全實體模型計算耗時為3 417 min，而采用多尺度模型計算耗時僅為1 512 min，可見多尺度分析在計算效率上具有明顯優(yōu)勢。

圖12 地震下頂部位移響應Fig.12 Displacement history of top floor

時程分析中地震動幅值達到峰值時，傳統(tǒng)梁柱節(jié)點式框架、狗骨節(jié)點式框架以及置換節(jié)點式框架結構的節(jié)點底部局部應力云圖如圖13～圖15所示?？梢钥闯觯瑐鹘y(tǒng)節(jié)點在梁柱連接處應力達到最大值。削弱節(jié)點在翼緣削弱處和腹板開洞處發(fā)生應力集中，并且在削弱處發(fā)生較大的橫向屈曲變形，而置換低屈服點金屬的鋼框架節(jié)點處應力值分布較均勻，與傳統(tǒng)節(jié)點相比節(jié)點核心區(qū)處的應力出現(xiàn)了有效降低，更利于抵抗罕遇地震。

圖13 傳統(tǒng)節(jié)點下框架節(jié)點處應力云圖Fig.13 Stress of frame with traditional connection

圖14 削弱節(jié)點下框架節(jié)點處應力云圖 Fig.14 Stress of frame with weaken connection

圖15 置換節(jié)點下框架節(jié)點處最大應力云圖Fig.15 Stress of frame with replaceable connection

圖16 頂部位移時程曲線Fig.16 Displacement history of top floor

不同框架的頂部位移時程曲線如圖16所示，其中削弱式梁柱節(jié)點鋼框架結構頂部位移幅值最大，達到0.028 m。采用可置換式節(jié)點的鋼框架頂部位移和傳統(tǒng)框架的頂部位移基本相同，均為0.02 m。綜合可以看出：采用削弱節(jié)點的框架的頂部位移反應和最大應力值均最大；采用置換節(jié)點的框架與傳統(tǒng)鋼框架相比整體變形和局部應力分別區(qū)別并不明顯，然而其具有較強的安全儲備和震后可恢復功能，因而適合在今后的鋼結構設計和應用中適當推廣。

5 結束語

在地震作用下，梁端削弱式梁柱節(jié)點能夠將塑性鉸外移，并進行充分的耗能，實現(xiàn)延性設計。然而，梁端削弱式節(jié)點可能發(fā)生局部屈曲和側向偏移，設計不當將存在安全隱患，同時不利于震后加固。針對上述不足，筆者提出了采用低屈服點金屬的可置換式鋼結構梁柱節(jié)點。該新型節(jié)點采用低屈服點的金屬材料對鋼梁的翼緣和腹板削弱處進行填補，在地震時低屈服點金屬率先進入變形并充分耗能，能夠提高節(jié)點整體抗震性能。同時該節(jié)點可以在震后進行快速有效地置換，符合可恢復功能結構的理念。

筆者對包括低屈服點鋼在內的不同強度的鋼材進行了拉伸試驗，得到了各自的本構關系。在此基礎上，利用有限元軟件分析了低周往復加載下傳統(tǒng)節(jié)點、梁端削弱型節(jié)點和可置換式節(jié)點的抗震減震性能。結果表明，可置換式節(jié)點具有良好且穩(wěn)定的耗能能力，不易造成節(jié)點主體的局部屈曲和側向變形，同時具有易于置換和加固的優(yōu)點。為了對比分析結構整體抗震減震能力，筆者采用多尺度有限元建模方式對具有不同類型節(jié)點的鋼框架進行了地震彈塑性時程分析。結果表明，采用可置換式梁柱節(jié)點的鋼結構在地震作用下位移較小，在利用低屈服點鋼材進行充分耗能的同時保證了主體結構的安全，且易于維修，如經濟方面允許，可在工程中應用。與全實體模型相比，多尺度有限元模型可以準確模擬梁柱節(jié)點的應力狀態(tài)和結構整體動力響應，并在保證計算精度的同時明顯提高了計算效率，適合在設計和分析中推廣。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.06.003

*國家自然科學基金資助項目(51478024); 工程抗震與結構診治北京市重點實驗室重點資助項目(USDE201403)

2015-01-10；

205-04-22

TU391； TG405

何浩祥，男，1978年5月生，博士、副研究員。主要研究方向為結構健康監(jiān)測和減震控制。曾發(fā)表《考慮渦旋效應的圓柱形TLD多維減震效果研究》(《振動與沖擊》2012年第6期)等論文。E-mail：hhx7856@163.com