相仁鳳，劉 猛，王 偉

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鋼框架端板-鑄鋼件混合連接性能分析

相仁鳳1,2，劉 猛2，王 偉3

（1.煙臺(tái)南山學(xué)院，山東龍口 265713；2.遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，遼寧錦州 121001；3.煙臺(tái)建設(shè)集團(tuán)，山東煙臺(tái) 264000）

鋼框架中以鑄鋼件代替角鋼，將端板、鑄鋼件通過(guò)高強(qiáng)螺栓和焊接技術(shù)與梁柱相連，形成了端板-鑄鋼件混合連接。通過(guò)對(duì)3組試件的模擬分析，研究了端板連接、鑄鋼件連接以及端板-鑄鋼件混合連接中節(jié)點(diǎn)的滯回性能、延性和耗能能力。結(jié)果表明，在低周反復(fù)荷載作用下，單獨(dú)采用端板或鑄鋼件連接時(shí)都表現(xiàn)出來(lái)良好的耗能能力，但端板連接中靠近梁柱連接的梁端部破壞嚴(yán)重；鑄鋼件連接中柱的屈曲嚴(yán)重。端板-鑄鋼件混合連接有效改善了連接性能。

混合連接；低周反復(fù)荷載；耗能能力；屈曲

鋼框架梁柱連接是整個(gè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，1994年美國(guó)Northridge地震造成了大量節(jié)點(diǎn)的脆性破壞[1]，節(jié)點(diǎn)的破壞將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的倒塌，這對(duì)建筑物來(lái)說(shuō)是最大的挑戰(zhàn)。美國(guó)、日本等科研人員成立了專門(mén)研究機(jī)構(gòu)，研究節(jié)點(diǎn)受力性能、破壞機(jī)理以及加固方法，以保證節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)端板連接的研究已取得一定成果，用鑄鋼件代替角鋼，是近幾年研究較多的一種連接方式。端板連接是一種延性和承載力都很好的連接，端板厚度是影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耗能能力的主要因素；鑄鋼件本身的耗能特性非常顯著，但僅采用鑄鋼件連接容易造成柱的屈曲嚴(yán)重。為更好地了解端板-鑄鋼件混合連接的性能，本文設(shè)計(jì)了3組試件，研究其在循環(huán)荷載作用下的受力性能和破壞特點(diǎn)。在保證耗能基本不變的情況下，節(jié)點(diǎn)的變形能力增強(qiáng)了，而且保證了柱有足夠的強(qiáng)度，滿足“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”[2]的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

1 有限元分析

根據(jù)試件的實(shí)際尺寸和約束條件，采用ABAQUS軟件建立非線性有限元模型，設(shè)計(jì)了3個(gè)試件，即單獨(dú)采用端板連接(BW1)，單獨(dú)采用鑄鋼件連接(BW2)，端板-鑄鋼件混合連接(BW3)，所有構(gòu)件均采用六面體實(shí)體SOLID模擬。

1.1 試件設(shè)計(jì)

為確保截面尺寸有效合理，設(shè)計(jì)中采用了工程實(shí)際中常用的梁柱尺寸，即柱截面采用H300×400×10×16，梁截面采用H200×300×8×12，端板采用300×600×18，鑄鋼件采用水平肢×豎肢×肋板：6×18×8。

圖1 材料的本構(gòu)模型

1.2 材料的本構(gòu)模型

計(jì)算時(shí)材料均采用鋼結(jié)構(gòu)，鋼材的本構(gòu)關(guān)系如圖1所示，鋼的本構(gòu)關(guān)系采用三折線形式，梁、柱、端板均采用Q345鋼，泊松比取0.3，彈性模量取2.1×106。

1.3 網(wǎng)格劃分

為了更加準(zhǔn)確地模擬梁柱連接時(shí)節(jié)點(diǎn)的受力，對(duì)單元采用對(duì)稱性劃分技術(shù)，對(duì)于靠近節(jié)點(diǎn)附近的端板、鑄鋼件采用較密的劃分單元，單元的邊長(zhǎng)比例控制在1∶4以內(nèi)，圖2為單元?jiǎng)澐智闆r。

圖2 有限元網(wǎng)格劃分

1.4 邊界條件和加載方案

本文屬于探索性模擬，對(duì)試件的梁端采用位移-時(shí)間變幅加載制度[3]，加載曲線如圖3所示。有限元模擬中，為更好地研究低周循環(huán)荷載作用下梁柱連接的抗震性能，對(duì)柱頂和梁端施加鉸接約束（U1=U2=0，UR1=UR2=0），為保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛度，對(duì)柱底施加剛接約束（U1=U2=U3=0，UR1=UR2=UR3=0），如圖4所示。

圖3 位移-時(shí)間加載曲線

圖4 邊界條件模型

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 低周反復(fù)荷載作用下試件的荷載-變形分析

單獨(dú)采用端板連接的試件荷載-變形曲線如圖5(a)所示，單獨(dú)采用鑄鋼件的試件荷載-變形曲線如圖5(b)所示，端板-鑄鋼件混合連接試件的荷載-變形曲線如圖5(c)所示。從3個(gè)試件的荷載-變形曲線可以看出：

(a)

(b)

(c)

(1)梁在開(kāi)始階段荷載-變形是線性變化的，隨著荷載不斷加大，當(dāng)荷載向下作用時(shí)，BW1的變形比其他2個(gè)試件要大，荷載為350 kN時(shí)，試件BW1達(dá)到極限拉應(yīng)變，試件BW2變形基本還處于彈性狀態(tài)，試件BW3的變形比試件BW2還要小一些。

(2)試件BW2和試件BW3在荷載作用下曲線變化較BW1緩和，因?yàn)槎税灞旧砭褪且环N延性較好的連接。

2.2 低周反復(fù)荷載作用下試件的滯回曲線分析

滯回曲線是指在力的循環(huán)反復(fù)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的荷載變形曲線。它反映了結(jié)構(gòu)在受力過(guò)程中的變形、剛度退化以及耗能能力。滯回曲線飽滿則說(shuō)明結(jié)構(gòu)的耗能能力[4]強(qiáng)，反之亦差。通過(guò)對(duì)3個(gè)試件的有限元模擬得出其滯回曲線如圖6所示，其中圖(a)、(b)、(c)分別是端板、鑄鋼件和端板-鑄鋼件混合連接的滯回曲線，可以看出：

(1)試件加載前期，滯回曲線以很高的初始剛度呈線性變化，隨著加載進(jìn)一步擴(kuò)大，剛度有所減小，但幅度不大，初始循環(huán)時(shí)卸載剛度與初始剛度基本一致。

(2)從圖6可以看出，單獨(dú)的鑄鋼件連接比端板連接滯回曲線要飽滿，且端板-鑄鋼件混合連接明顯看出節(jié)點(diǎn)的抗震性能比其他2種連接方式要好。

(a)

(b)

(c)

(3)鑄鋼件連接節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下的滯回曲線比較飽滿，滯回環(huán)的面積較大，證明鑄鋼件連接具有很好的延性。端板-鑄鋼件連接與單獨(dú)采用鑄鋼件連接的滯回曲線類(lèi)似，但前者相對(duì)飽滿一些，抗震性能更好一點(diǎn)。

2.3 低周反復(fù)荷載作用下試件的骨架曲線分析

骨架曲線是指將滯回曲線中各個(gè)循環(huán)滯回環(huán)的峰值點(diǎn)進(jìn)行相連得到的包絡(luò)線。它反映了結(jié)構(gòu)的初始剛度和強(qiáng)度，本文根據(jù)滯回曲線得到的試件骨架曲線如圖7所示，可以得出：

(1)在達(dá)到屈服極限點(diǎn)之前，試件的骨架曲線是條直線，呈線性變化，隨著荷載的增加，試件的變化呈非線性。

(2)BW2和BW3的骨架曲線優(yōu)于BW1，在荷載作用下，BW2的極限承載力比BW1要好，BW3的極限承載力明顯比BW1和BW2要好。

(a)

(b)

(c)

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)3種不同連接方式梁柱連接節(jié)點(diǎn)的循環(huán)加載，總結(jié)有限元模擬結(jié)果可以得到以下結(jié)論。

(1)3個(gè)試件中得到的滯回曲線呈S型，都表現(xiàn)出良好的耗能能力，其中鑄鋼件的耗能能力更好一些，端板-鑄鋼件混合連接的極限承載力明顯優(yōu)于另外2種連接方式，更好地加固了節(jié)點(diǎn)，端板連接中變形曲線陡峭，變化幅度大，可能是因?yàn)槎税搴穸人?。端板厚度和鑄鋼件豎肢、肋板尺寸是影響連接性能的關(guān)鍵因素，為更好地提高連接節(jié)點(diǎn)的延性和耗能能力，應(yīng)合理設(shè)計(jì)構(gòu)件尺寸。

(2)節(jié)點(diǎn)的延性性能良好，各節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)均大于3。

[1] 周炳章. 日本阪神地震的震害及教訓(xùn)[J]. 工程抗震, 1996(1): 39-42.

[2] 豐定國(guó), 王社良. 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社, 2001.

[3] JGJ 101—96. 建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程[S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1997.

[4] 申成軍, 陳元明, 高福聚. 鋼框架梁柱T型鋼連接滯回性能分析[J]. 工業(yè)建筑, 2007(S1): 1257-1262.

責(zé)任編校：孫 林

Performance Analysis of Steel Frame End Plate-Steel Castings Mixed Connection

XIANG Ren-feng1,2, LIU Meng2,WANG Wei3

（1.Yantai Nanshan University, Longkou 265713, China; 2. School ofCivil and Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China; 3.Yantai Construction Group,Yantai,Shandong 264000, China）

Steel castings are used to replace angle iron in steel frame, through high-strength bolts and welding technology, the beams and the end plate are connected to form end plates - steel castings mixed connection. Through simulation analysis of the three groups of specimens, the Hysteretic behavior, the ductility and energy dissipation capacity of the end-plate connections, steel castings connections and end plate -steel castings mixed connections are analyzed. The results show that under low cycle repetitive loading, when end plate or cast steel is used alone to connect, good energy dissipation capacity has been demonstrated, but in the end plate connection, the tie-beam is seriously damaged near the beam-column connections; in the cast steel connection, the column is buckled seriously. End plates-steel castings mixed connections effectively improve the connection performance.

mixed connection; low cycle repetitive loading; energy dissipation capacity; buckling

10.15916/j.issn1674-3261.2017.03.012

TU391

A

1674-3261(2017)03-0183-04

2015-11-08

相仁鳳(1986-)，女，山東臨沂人，碩士，助教。