王安安 ，董新元 （河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000）

0 前言

鋼框架腹板開圓孔節(jié)點(diǎn)不僅可以實(shí)現(xiàn)塑性鉸的轉(zhuǎn)移，減緩梁柱焊接節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力，而且腹板開圓孔處還有利于設(shè)備安裝管線的穿插，降低層高[1-2]。但由于鋼梁在腹板開孔處削弱過多，導(dǎo)致構(gòu)件承載力不足，變形過大，故需要對(duì)腹板開孔部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。我國(guó)規(guī)范[3]針對(duì)腹板開圓孔節(jié)點(diǎn)提出了在腹板開孔處設(shè)置套管、環(huán)形加勁肋、環(huán)向板等補(bǔ)強(qiáng)措施。楊應(yīng)華、吳言亮等[4]對(duì)鋼梁腹板開圓孔處設(shè)置鋼套管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明，該節(jié)點(diǎn)抗震性能優(yōu)越，既能滿足塑性鉸從梁柱焊縫處轉(zhuǎn)移到腹板開孔范圍內(nèi)，又能滿足節(jié)點(diǎn)承載力的要求。張小林、劉二浩[5]等提出了鋼套管加強(qiáng)梁腹板開圓孔梁柱端板連接的削弱型節(jié)點(diǎn)形式，并利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了抗震性能分析，得出了此種節(jié)點(diǎn)峰值承載力較高，梁柱焊縫處的應(yīng)力分布較為均勻，同時(shí)塑性鉸實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)移，節(jié)點(diǎn)受力較為合理。廖文遠(yuǎn)、周東華[6]等對(duì)腹板開孔節(jié)點(diǎn)提出在孔洞處設(shè)置人字形加勁肋、圓弧形加勁肋，并運(yùn)用數(shù)值分析軟件ANSYS分析了其抗震性能，結(jié)果表明，人字形加勁肋、圓弧形加勁肋較傳統(tǒng)的補(bǔ)強(qiáng)方式延性稍差，但節(jié)點(diǎn)承載力提高顯著，腹板開孔處的變形減小，滿足了實(shí)際工程的需要。

可見，通過對(duì)削弱部位進(jìn)行加強(qiáng)，可以提高節(jié)點(diǎn)承載力的同時(shí)，還可以降低節(jié)點(diǎn)處的等效塑性應(yīng)力，本文針對(duì)腹板開圓孔節(jié)點(diǎn)的不足，提出了一種新型補(bǔ)強(qiáng)方式:槽形鋼板補(bǔ)強(qiáng)，通過在鋼梁開孔腹板兩側(cè)設(shè)置槽鋼，一方面使削弱部位得到了加強(qiáng)，另一方面有不影響設(shè)備管線的穿插，如圖1所示，并用有限元軟件ANSYS模擬分析其力學(xué)性能，為廣大設(shè)計(jì)人員提供了參考依據(jù)。

圖1 槽鋼加強(qiáng)腹板開圓孔復(fù)合型節(jié)點(diǎn)

1 有限元分析

1.1 分析模型創(chuàng)建

本文創(chuàng)建了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行有限元分析，分別為RBW-base、RBW-U。分析模型中梁、柱、柱腹板加勁肋、槽鋼的截面尺寸見表1。

1.2 材料屬性及模型網(wǎng)格劃分

分析模型均采用Q235鋼材，鋼材的本構(gòu)模型采用三線性模型，并考慮鋼材強(qiáng)化段的影響，鋼材的彈性模量E=2×105N/mm2，屈服強(qiáng)度為 f=294MPa，屈服應(yīng)變?yōu)棣舮=0.0013，極限強(qiáng)度f(wàn)u=415MPa,極限應(yīng)變?yōu)?εu=0.22，泊松比v=0.29。模型有限元網(wǎng)格劃分采用solid92單元，并在節(jié)點(diǎn)及腹板開孔區(qū)域網(wǎng)格劃分加密，網(wǎng)格劃分尺寸為20mm，其余部分采用稀疏網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為50mm，減小了計(jì)算所需的時(shí)間。

1.3 約束條件及加載方式

柱上下端為鉸接，故施加X、Y、Z三個(gè)方向的自由度，梁柱采用“綁定接觸”來(lái)模擬焊接。加載方式采用位移加載，單調(diào)加載時(shí)，位移加載至120mm，共分40個(gè)荷載步加載完成，每個(gè)荷載步增量為3mm。循環(huán)加載時(shí)，以層間位移角控制加載，具體加載制度參考美國(guó)抗震規(guī)范[7]。y

2 單調(diào)荷載下的性能分析

2.1 承載力及延性系數(shù)

表2為模型 RBW-base、RBW-U的承載力及延性系數(shù)。從中可以看出，模型 RBW-U的承載力為 387.41kN,較RBW-base模型提高了88%，屈服位移、極限位移分別提高了 67.6%、138%，延性系數(shù)提高了42.86%，增幅效果較為明顯，說明在腹板削弱部位設(shè)置槽鋼，節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能得到了提升。

2.2 荷載-位移曲線

分析模型參數(shù) 表1

承載力及延性系數(shù) 表2

圖2 各模型荷載-位移曲線分布對(duì)比

圖2為各模型荷載-位移曲線分布對(duì)比，從圖中可以得出RBW-U模型的峰值承載力、屈服位移、極限位移較基本模型均大幅度提高，當(dāng)進(jìn)入彈塑性階段時(shí)，RBW-base荷載-位移曲線出現(xiàn)了明顯的突降，剛度退化現(xiàn)象嚴(yán)重，而RBW-U模型在塑性階段比較平穩(wěn)，剛度退化速率小，說明加強(qiáng)與削弱復(fù)合型節(jié)點(diǎn)的剛度較基本模型增加。

2.3 破壞模式

圖3為各模型加載至0.04rad時(shí)的破壞模式，從圖中可以看出，當(dāng)加載至0.04rad時(shí)，RBW-base模型在腹板開孔區(qū)域由于截面削弱過多，抗剪、抗彎承載力不足，導(dǎo)致腹板發(fā)生了嚴(yán)重變形，試件的剛度退化較大，試件破壞，而RBW-U模型加載至0.04rad時(shí)，在腹板開孔位置幾乎無(wú)屈曲變形，孔洞形狀變化較小，說明設(shè)置槽鋼增加了削弱部位的剛度，延遲了構(gòu)件破壞所需的時(shí)間，增加了節(jié)點(diǎn)的延性。

圖3 各試件破壞模式

3 循環(huán)荷載下的性能分析

3.1 滯回曲線

圖4為各模型的滯回曲線，從圖中可以看出，各模型滯回曲線都較為飽滿，無(wú)明顯的捏攏顯現(xiàn)，但模型RBW-U的滯回曲線所包圍的面積顯著大于基本模型RBW-base，并且RBW-U的滯回曲線呈紡錘形，無(wú)明顯遲滯現(xiàn)象，而RBW-base模型滯回曲線呈梭型，加載至后期由于腹板發(fā)生了嚴(yán)重的變形，導(dǎo)致構(gòu)件剛度退化嚴(yán)重，故滯回曲線發(fā)生了嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象，在地震作用下耗散的能量較小，耗能性能顯著低于RBW-U模型。

3.2 骨架曲線

圖5為各試件骨架曲線分布對(duì)比，從圖中可以看出，模型RBW-U的承載力、屈服位移、極限位移均較基本模型有較大提高，呈線性分布；在彈塑性階段，RBW-U模型的骨架曲線較基本模型RBW-Bbase幾乎呈平直線分布，下降速率較緩，說明試件剛度退化現(xiàn)象得到了控制。

圖4 各模型滯回曲線

圖5 各試件骨架曲線對(duì)比分析

4 結(jié)論

通過運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)兩個(gè)模型的承載力、位移延性系數(shù)、構(gòu)件破壞特征、骨架曲線、滯回曲線等進(jìn)行了對(duì)比分析，可以得出如下結(jié)論。