白潤(rùn)山 劉 宏 卜娜蕊 趙思思

(1.河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000;2.河北省張家口市宣化區(qū)交通運(yùn)輸局,河北 張家口 075100)

自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)中樓板剛度的影響研究

白潤(rùn)山1劉 宏1卜娜蕊1趙思思2

(1.河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000;2.河北省張家口市宣化區(qū)交通運(yùn)輸局,河北 張家口 075100)

通過ANSYS有限元分析軟件針對(duì)自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)有無樓板的受力性能進(jìn)行分析研究，經(jīng)過分析，在單向集中荷載或?qū)ΨQ反向集中荷載下的作用下，樓板對(duì)自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)約束性能良好，提高了整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，很大程度上減小了框架的擴(kuò)展性.

預(yù)應(yīng)力;自復(fù)位;半剛性

0 引 言

1994年美國(guó)北嶺地震和1995年日本阪神地震給傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了承重的一擊，震后造成了鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的脆性破壞，雖然節(jié)點(diǎn)能夠修復(fù)再用，但經(jīng)過改造后的節(jié)點(diǎn)如果再次遭遇大地震，主體結(jié)構(gòu)仍會(huì)產(chǎn)生殘余變形，這就意味著P-Δ效應(yīng)加劇，削弱了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部屈曲甚至倒塌，造成震后修復(fù)的極大浪費(fèi).為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能，減少震后修復(fù)費(fèi)用，美國(guó)和日本的專家學(xué)者致力于研究一種能產(chǎn)生塑性變形、消能減震，較小的節(jié)點(diǎn)殘余變形，甚至能恢復(fù)原來狀態(tài)的抗震結(jié)構(gòu)，之后參考了混凝土中預(yù)應(yīng)力的作用，發(fā)明了一種新型的能在震后恢復(fù)原來狀態(tài)的鋼結(jié)構(gòu)—自復(fù)位鋼結(jié)構(gòu).這種結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：搖擺連接件、復(fù)位元件及耗能裝置.2000年，Ricles和Garlock[1]將預(yù)應(yīng)力與半剛性節(jié)點(diǎn)相結(jié)合，提出了PT(Post-Tensioned connection)節(jié)點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行了定義，且Garlock于2007年給出了針對(duì)此類節(jié)點(diǎn)的具體設(shè)計(jì)步驟和流程圖.之后，在此基礎(chǔ)上，自復(fù)位節(jié)點(diǎn)有了進(jìn)一步的發(fā)展.Constantin Christpoulos等人[2]將PT節(jié)點(diǎn)中的耗能角鋼用耗能鋼條替換，定義新型自復(fù)位節(jié)點(diǎn)—PTED節(jié)點(diǎn)，并利用DRAIN-2DX軟件對(duì)比分析了帶有PTED節(jié)點(diǎn)和傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)框架的受力性能，對(duì)比結(jié)果表明PTED節(jié)點(diǎn)延性很大，造價(jià)與傳統(tǒng)鋼框架相當(dāng)，修理費(fèi)用低，適于應(yīng)用.之后，人們各種耗能構(gòu)件的PTED節(jié)點(diǎn)，如梁頂?shù)滓砭壴O(shè)置螺栓固定的摩擦鋼板耗能、采用摩擦阻尼器耗能等.潘振華等對(duì)阻尼器耗能進(jìn)行ABAQUS參數(shù)分析，證實(shí)了這種節(jié)點(diǎn)具有良好的復(fù)位、耗能能力.2013年，考慮到框架擴(kuò)展現(xiàn)象的影響，Darling將梁柱分開，增加梁的繞動(dòng)空隙，地震中使柱距保持不變.目前，學(xué)者們已在自復(fù)位結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)做了較為深入的研究，但對(duì)于樓板對(duì)節(jié)點(diǎn)乃至整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響研究分析的還太少，而本文主要是在前人研究的基礎(chǔ)上，研究樓板對(duì)自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的性能的影響.

1 有限元分析

為了便于分析和計(jì)算，ANSYS為我們提供了190多種結(jié)構(gòu)單元類型[3]，本文根據(jù)實(shí)際情況，用10節(jié)點(diǎn)SOLID92單元模擬梁柱、角鋼、加勁肋以及螺栓頭、栓體和螺帽，SOLID45單元模擬樓板，LINK10單元模擬鋼絞線.接觸單元選用CONTA173和TARGE170來模擬，預(yù)應(yīng)力單元選用預(yù)應(yīng)力單元PRETS179.本文中幾何尺寸模型及荷載參數(shù)采用單層單跨的鋼框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，梁、柱、樓板分別采用焊接H形鋼Q345，主梁尺寸H×B×T1×T2=400×300×10×15(mm)，鋼柱尺寸H×B×T1×T2=400×400×14×21(mm).本文涉及兩種材料，一類是梁柱板件、角鋼、鋼絞線；另一類是螺栓、螺母，其中梁柱、加勁肋、角鋼，鋼絞線的E=2.06×1011N/mm2，μ=0.3，fy=3.45×108N/m2，ρ=7890 Kg/m3，螺栓E=2.1×1011N/mm2，μ=0.3，fy=6.4×108N/m2，ρ=7890 Kg/m3，梁柱板件、角鋼、鋼絞線材料采用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，螺栓、螺母材料采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型.材料的屈服強(qiáng)度遵守Von-Mises屈服準(zhǔn)則，強(qiáng)化階段采用隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則.

本文中的框架節(jié)點(diǎn)是從整體結(jié)構(gòu)中截取出來，采用足尺模型分析計(jì)算，寬厚比與高厚比均符合現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范的要求，建模過程中主要分析了板的厚度不同和初始預(yù)應(yīng)力不同的情況下，梁中性軸的變化、梁內(nèi)彎曲正應(yīng)力分布情況，節(jié)點(diǎn)彎矩M與變形轉(zhuǎn)角γ的關(guān)系.ANSYS軟件分析時(shí)，對(duì)模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，如對(duì)焊接引起的變形和應(yīng)力集中不加考慮，將栓頭、柱帽簡(jiǎn)化為圓柱體，忽略螺栓頭和螺帽與梁和柱翼緣的接觸問題等[4,5].

本文采用周期荷載加載方式，進(jìn)行擬靜力分析，采用通過位移控制荷載的加載方式，為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，經(jīng)過實(shí)際計(jì)算，從7.8 mm的位移量加載，并以每級(jí)位移增量7.5 mm循環(huán)遞增至90 mm左右，即2%最大塑性層間移角時(shí)停止加載.

利用有限元進(jìn)行求解時(shí)，考慮到二階效應(yīng)，所以需要采用大變形非線性求解,在軟件中通過NLGEOM,ON來激活大應(yīng)變效應(yīng)，分析結(jié)構(gòu)受力，最終得到剛度退化曲線和彎矩—轉(zhuǎn)角曲線，分別如圖1、圖2所示.

圖1 梁柱節(jié)點(diǎn)剛度退化曲線 圖2 梁柱節(jié)點(diǎn)M-θr曲線

根據(jù)現(xiàn)有研究成果，主梁進(jìn)入塑性的程度不同，板的有效寬度不同，兩者之間是一個(gè)遞增的關(guān)系，一般，我們認(rèn)為，在節(jié)點(diǎn)完全進(jìn)入塑性，樓板的有效寬度為柱翼緣的2倍，本文中主要是考慮樓板厚度等的影響，所以按最符合實(shí)際的情況進(jìn)行考慮，樓板的有效寬度均取柱翼緣寬度的2倍.圖3、圖4、圖5分別是在樓板有效寬度為2倍柱翼緣寬度時(shí)，不同板厚下節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角-彎矩圖，由圖中彎矩的變化情況，可以看出，相同轉(zhuǎn)角下，樓板的厚度越大，節(jié)點(diǎn)彎矩越大，兩者成線性增長(zhǎng)關(guān)系，之后隨著梁柱節(jié)點(diǎn)的持續(xù)受力，轉(zhuǎn)角雖然增加，但彎矩趨于平穩(wěn)，對(duì)比分析樓板有無，可以看出相同轉(zhuǎn)角下，無樓板節(jié)點(diǎn)所受彎矩較大，以上分析說明，在整個(gè)結(jié)構(gòu)受力過程中，節(jié)點(diǎn)雖然承受了大部分的力的作用，是我們進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)考慮的主要方面，但分析結(jié)果表明，樓板亦對(duì)節(jié)點(diǎn)具有相當(dāng)?shù)募s束作用，不能忽視其對(duì)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展性能的影響.

圖3 試件板厚100 mm樓板對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響 圖4 試件板厚130 mm樓板對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響

除了分析了樓板對(duì)整個(gè)節(jié)點(diǎn)受力性能的影響，本文還分析了在相同板厚和樓板有效作用寬度下，預(yù)緊力大小對(duì)自復(fù)位鋼框架整體性能和承載力的影響，主要是通過在ANSYS12.0中改變初始預(yù)應(yīng)力的大小，從而進(jìn)行進(jìn)一步的分析和計(jì)算.圖6、圖7、圖8分別是在板厚100 mm，樓板有效寬度為柱翼緣2倍，初始預(yù)應(yīng)力分別為100 KN、120 KN、130 KN下分析得出的節(jié)點(diǎn)滯回曲線圖形，由這三個(gè)圖可以看出，首先，節(jié)點(diǎn)的滯回曲線滿足自復(fù)位節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)滯回曲線模型，圖形呈中心對(duì)稱，自復(fù)位能力良好；其次，對(duì)比分析結(jié)果，當(dāng)初始預(yù)拉力很小時(shí)，角鋼在很小的位移下就會(huì)出現(xiàn)塑性變形；隨著初始預(yù)拉力的增加，結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力逐漸增強(qiáng)；在循環(huán)荷載作用下，當(dāng)位移荷載回復(fù)至零時(shí)，初始預(yù)拉力較小結(jié)構(gòu)的恢復(fù)能力相對(duì)較弱，不利于自復(fù)位作用.

圖5 無樓板節(jié)點(diǎn)性能 圖6 鋼絞線初始預(yù)應(yīng)力100 KN

圖7 鋼絞線初始預(yù)應(yīng)力120 KN 圖8 鋼絞線初始預(yù)應(yīng)力130 KN

2 結(jié) 論

有限元分析結(jié)果表明，樓板的存在確實(shí)導(dǎo)致了框架受力性能的不同，且隨著樓板厚度的增加，在相同轉(zhuǎn)角下，節(jié)點(diǎn)彎矩增加，框架擴(kuò)展增強(qiáng).此外，在自復(fù)位結(jié)構(gòu)中，初始預(yù)拉力的大小，對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力有很明顯的影響，由以上結(jié)果得知，在鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)現(xiàn)澆樓板予以合理的考慮，并結(jié)合實(shí)際工程施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力，耗能能力和自復(fù)位性能得到充分發(fā)揮.

[1]RICLES J,SAUSE R,GARLOCK M,et al.Experimental studies on post-tensioned seismic resistant connections for steel frames [M].Proc,STESSA 2000 Conference.2000:231～238

[2]CHRISTOPOULOS C,FILIATRAULT A,UANG C-M,et al.Post-tensioned energy dissipating connections for moment-resisting steel frames[J].Journal of StructuralEngineering,2002,128(9)：1111～1120

[3]尚曉江，邱峰，趙海峰，李文穎.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006

[4]劉浩,等.ANSYS 15.0有限元分析從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014

[5]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007

Research on the Influence of Floor Stiffness in Self-centering Steel-frame Structure

BAIRun-shan1,LIUHong1,BUNa-rui1,ZHAOSi-si2

(1.Hebei University of Architecture,Zhangjiakou,Hebei Province 075000;2.Xuanhua Transportation Bureau,Xuanhua District,Zhangjiakou City,Hebei Province 075100)

The stress performance of steel-frame structure with and without floor is analyzed by ANSYS finite element analyzing software. Under the action of the one-way concentrated load or symmetry-reverse concentrated load,the constraint performance of floor on the self-centering beam-column joints is good,which can improve the seismic performance of whole structure,largely reducing the framework of extensibility.

prestress;self-centering;semi-rigid

2016-12-15

白潤(rùn)山(1965-)，男，教授，主要從事鋼結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)與混合結(jié)構(gòu)，新型結(jié)構(gòu)體系及材料，裝配式建筑結(jié)構(gòu)等研究.

劉宏(1990-)，女，在讀碩士研究生.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.02.007

TU 3

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