王 璐,菅鳳俠
(西安工商學院,陜西西安 710119)
經(jīng)濟發(fā)展水平的不斷提升促使人們對建筑形式、空間、質量等多方面的要求逐漸增多,在21世紀,我國總建筑量創(chuàng)歷史新高[1-3]。回顧2008年的汶川地震可知,建筑倒塌在造成巨大經(jīng)濟損失的同時,還會危及人們的生命。碳纖維增強復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)作為一種高強材料[4],能夠使各類材料的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮。CFRP的強度為普通鋼材的10倍,密度僅占其20%,具有非常穩(wěn)定的化學性質,且不會出現(xiàn)疲勞,因此使用CFRP增強鋼框架肋板,通過CFRP理想的抗拉強度與延性對鋼框架肋板結構的變形進行有效控制,從而提高其承載力、抗腐蝕性能。本文通過建立有限元模型分析鋼框架肋板的節(jié)點滯回性能,驗證了碳纖維增強復合材料的增強效果。
選擇Q345鋼材料制作鋼框架肋板試件,鋼梁規(guī)格為 ,截面規(guī)格為 。使試件頂端承受0.5倍軸壓力,試件頂端與底端均采用固接形式,頂端約束中心線與底端約束中心線之間的距離為1500mm。該試件使用循環(huán)加載,加載點到鋼框架翼緣表面的距離為1600mm。利用厚度為6mm的鋼板進行節(jié)點域補強,運用載荷及位移分別對試件屈服前和屈服后的加載進行控制[5-6]。碳纖維增強復合材料包含質量輕、疲勞性能以及減震性能好等優(yōu)勢,因此將其用于增強鋼框架肋板,通過分析節(jié)點滯回性能,驗證鋼框架肋板增強效果。根據(jù)鋼框架肋板軸線方向,在具有較大應力的翼緣表面粘貼CFRP[7-8]。
1.2.1 設置約束與邊界條件
假設碳纖維增強復合材料的材層之間,以及和鋼框架肋板之間能很好地粘結,可通過Tie約束完成[9];為達到內(nèi)層單元變化,外層單元可隨之協(xié)調變形的特征,應選擇鋼框架肋板作為主要表面,CFRP內(nèi)表面作為從屬表面。設定固定鉸接約束于弦桿兩側,使豎向位移加載作用于弦桿自由端,在模擬過程中對弦桿進行限制,另外五個自由度僅形成軸向位移[10-12],即設置邊界條件的方法。
1.2.2 節(jié)點連接
運用剛性形式連接梁柱節(jié)點以及焊接形式連接鋼梁與支撐節(jié)點。鋼框架肋板的節(jié)點連接方式有兩種:一種為A-1型,即通過梁段與梁柱直接連接;另外一種是A-2型,通過加肋板方法對梁柱節(jié)點進行增強。
1.2.3 模型建立
為有效分析碳纖維增強復合材料增強鋼框架肋板的節(jié)點滯回性能,從幾何非線性角度出發(fā),將Mises屈服原則作為基礎,使用三維實體單元建立有限元模型[13]。
運用割線剛度描述鋼框架肋板的剛度以驗證CFRP增強前后的節(jié)點剛度退化狀況。將循環(huán)荷載作用于節(jié)點時,每次循環(huán)均會產(chǎn)生正向與負向的豎直反力,連接兩個力,所得直線的斜率為割線剛度[14-15],其計算過程用公式(1)描述:
式(1)內(nèi),對于第i個位移水平,割線剛度用Kei描述;正向豎直反力用+Pi描述;負向豎直反力用-Pi描述;正向位移用+ui描述;負向位移用-ui描述。
通過ANSYS軟件對循環(huán)加載方式下鋼框架肋板的節(jié)點滯回性能進行計算,A-1型與A-2型梁段的載荷-轉角滯回曲線用圖1描述。
圖1 A-1型與A-2型梁段的載荷-轉角滯回曲線Fig.1 Load angle hysteretic curves of A-1 and A-2 beam sections
由圖1可得,A-1型與A-2型梁段的載荷-轉角滯回曲線均呈矩形分布,但相對于A-2型,A-1型的滯回曲線稍有捏攏,A-2型則飽滿均勻,變化穩(wěn)定,不存在捏攏現(xiàn)象;當處于極限狀態(tài)時,A-1型梁段的轉角比A-2型梁段的轉角小。由此可知,使用A-2型鋼框架肋板節(jié)點連接方式,能使鋼柱對鋼梁的局部變形限制減弱,增大梁段轉動,提高鋼框架肋板延性及耗能效果。
A-1型與A-2型的水平力-側移滯回曲線以及骨架曲線,用圖2描述。分析圖2可得,A-1型與A-2型的水平力-側移滯回曲線均呈橢圓形分布,且飽滿穩(wěn)定,不存在捏攏現(xiàn)象;兩者的水平力都隨著側移增加而升高,當側移小于-10mm和大于10mm時,兩者的水平力上升速率緩慢,當側移在-10mm至10mm之間時,兩者的水平力呈快速上升趨勢;A-2型的水平力始終高于A-1型的水平力。對比這些數(shù)據(jù)可以表明,使用A-2型鋼框架肋板節(jié)點連接方式,能獲得更好的鋼框架肋板承載能力。
每個階段的剛度用K表示,初始剛度用k0表示,屈服位移用Δy表示;水平位移用Δ表示。CFRP增強鋼框架肋板前后的剛度退化曲線如圖3所示。由圖3可得,CFRP增強前后的剛度在鋼框架屈服前基本不發(fā)生改變,且數(shù)值相同;當梁段產(chǎn)生屈服后,CFRP增強前后的剛度均產(chǎn)生退化現(xiàn)象,在循環(huán)次數(shù)不斷增加的情況下,剛度退化速率逐漸衰弱;CFRP增強后的剛度始終高于CFRP增強前的剛度;相對于CFRP增強前的剛度曲線,增強后的剛度曲線較為平緩。經(jīng)驗證表明,使用CFRP增強鋼框架肋板可獲得較優(yōu)異的變形性能及抗側移性能。
圖3 CFRP增強鋼框架肋板前后的剛度退化曲線Fig.3 Stiffness degradation curve of CFRP reinforced steel frame before and after rib plate
使用CFRP增強鋼框架肋板時,設置4種不同鋪層角度的CFRP鋪層方式,鋪層層數(shù)均為2,鋪層長度為3倍的弦桿直徑,鋪層方式有五種,方式0即不使用CFRP,方式1的CFRP方向和軸線夾角為0/0,方式2的CFRP方向和軸線夾角為0/90,方式3的CFRP方向和軸線夾角為90/90,方式4的CFRP方向和軸線夾角為45/135。不同鋪層方式下,鋼框架肋板的節(jié)點滯回曲線用圖4描述。
圖4 不同鋪層方式下的鋼框架肋板的節(jié)點滯回曲線Fig.4 Hysteretic curves of steel frame rib joints with different ply patterns
分析圖4可得,碳纖維增強復合材料鋪層方式對鋼框架肋板的節(jié)點滯回性能影響較大,鋪層方式1與鋪層方式2的滯回環(huán)面積較大,鋪層方式4的滯回環(huán)面積最小。因此可以說明,使用CFRP增強鋼框架肋板時,選擇鋪層方式1或鋪層方式2能極大地提升鋼框架肋板整體性能,CFRP增強效果最佳。
(1)使用A-2型鋼框架肋板節(jié)點連接方式,能使鋼柱對鋼梁的局部變形限制減弱,增大梁段轉動,提高鋼框架肋板延性及耗能效果,并且能獲得更好的鋼框架肋板承載能力。
(2)使用CFRP增強鋼框架肋板可獲得較優(yōu)異的變形性能及抗側移性能。
(3)當CFRP鋪層角度呈0/90度或90/90度時,能極大地提升鋼框架肋板整體性能,CFRP效果最佳。