周騰飛 陶忠 包圩正 陳蕾蒙 肖良金

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500； 2.陜西省建筑科學(xué)研究院有限公司 西安 710082)

0 引言

團(tuán)隊(duì)提出的新型法蘭外環(huán)板式鋼節(jié)點(diǎn)由帶加強(qiáng)環(huán)板上下柱、帶法蘭柱座、矩形搭板、頂?shù)捉卿?、H型鋼梁組成，其中加強(qiáng)環(huán)板與上下柱、中間柱座與法蘭、梁端與頂?shù)捉卿撛诠S預(yù)先完成焊接。各部件均可預(yù)先在工廠加工生產(chǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)采用高強(qiáng)螺栓連接，有利于提高鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)安裝效率，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖1所示[1-3]。

圖1 新型鋼結(jié)構(gòu)法蘭節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

在實(shí)際應(yīng)用中，有限元模擬可以使試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果相互驗(yàn)證，數(shù)值模擬使得結(jié)論更有說(shuō)服力。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震性能方面已經(jīng)進(jìn)行過(guò)大量的數(shù)值模擬研究。徐禮華等[4]使用ANSYS以5個(gè)隔板貫穿式節(jié)點(diǎn)試件為研究對(duì)象，考慮隔板外伸長(zhǎng)度、核心區(qū)混凝土強(qiáng)度、軸壓比等設(shè)計(jì)因素，分別建立了有限元模型并對(duì)其滯回性能進(jìn)行模擬分析。陸森強(qiáng)等[5]采用ABAQUS對(duì)4個(gè)新型PEC柱-鋼梁T形件焊接連接中節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)試件在低周反復(fù)荷載作用下的滯回性能進(jìn)行非線性模擬計(jì)算,分析軸壓力、PEC柱截面形式與鋼板組合截面布置方式等因素對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。孫鵬等[6]對(duì)無(wú)加勁和有加勁方鋼管法蘭連接進(jìn)行了有限元模擬，分析其承載能力，驗(yàn)證了理論分析的準(zhǔn)確性。

本文利用ABAQUS有限元軟件，引用課題組已有試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比，驗(yàn)證了有限元模擬相對(duì)比較準(zhǔn)確且可以較好地反映受力性能，并擴(kuò)大了參數(shù)分析，著重研究加強(qiáng)環(huán)板轉(zhuǎn)角處構(gòu)造形式對(duì)法蘭外環(huán)板式節(jié)點(diǎn)的破壞模式和抗震性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

為反映框架節(jié)點(diǎn)實(shí)際受力特點(diǎn)，保證試驗(yàn)采用的試件設(shè)計(jì)符合實(shí)際需求或接近實(shí)際情況，本文考慮采用梁柱反彎點(diǎn)內(nèi)足尺十字型節(jié)點(diǎn)模型。以框架承受水平荷載時(shí)的反彎點(diǎn)位置作為參考，考慮節(jié)點(diǎn)兩側(cè)鋼梁為實(shí)際鋼梁長(zhǎng)度的1/2且左右對(duì)稱。試驗(yàn)采用的梁、柱尺寸取實(shí)際工程中的值，試件鋼材材質(zhì)均采用Q235b，外加強(qiáng)環(huán)板的材質(zhì)按照《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(DBJ 13-51—2003)進(jìn)行確定，節(jié)點(diǎn)的拼接采用10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓，其預(yù)緊力依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》(JGJ 82—2011)[7]設(shè)計(jì)確定。試件的裝配過(guò)程如下：加強(qiáng)環(huán)板處在工廠分別預(yù)留螺栓孔，并預(yù)先在工廠內(nèi)將加強(qiáng)環(huán)板與上下柱之間通過(guò)嚴(yán)格焊接工藝焊接為一個(gè)整體，加強(qiáng)環(huán)板處事先預(yù)留螺栓孔，梁端事先設(shè)計(jì)預(yù)留螺栓孔，并與角鋼連接件通過(guò)焊接連接起來(lái)。在各構(gòu)件運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后，通過(guò)10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓M20將加強(qiáng)環(huán)板、柱座環(huán)板以及梁翼緣連接成3段型柱，從而將上下柱連接起來(lái)，另外通過(guò)角鋼連接件與柱座壁上預(yù)留的螺栓孔用10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓M16連接，從而將核心區(qū)梁端連接起來(lái),具體尺寸如圖2所示。通過(guò)位移控制方式進(jìn)行該試驗(yàn)的加載，加載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)尺寸(單位：mm)

圖3 現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)

2 有限元模型驗(yàn)證

2.1 有限元分析前處理

在新型法蘭外環(huán)板式節(jié)點(diǎn)的擬靜力試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用ABAQUS有限元模型，選用與試驗(yàn)試件一致的參數(shù)，接觸方式采用面面接觸，通過(guò)合理設(shè)定接觸屬性，近似模擬真實(shí)板件間的接觸情況，角鋼與梁之間、上部加強(qiáng)環(huán)板與上柱之間、下部加強(qiáng)環(huán)板與下柱之間，均采用綁定接觸模擬實(shí)際加工時(shí)的焊接處理，節(jié)點(diǎn)單元采用C3D8R模擬，考慮模型收斂性問(wèn)題設(shè)置3個(gè)分析步，每個(gè)分析步分別對(duì)應(yīng)螺栓荷載、柱頂軸壓力和柱頂水平往復(fù)荷載的施加，劃分網(wǎng)格時(shí)在螺栓孔處劃分出螺帽大小并對(duì)螺栓孔進(jìn)行十字切分，在柱座及靠近柱座的柱端和梁端都要進(jìn)行加密處理，各材料的材性采用試驗(yàn)值。

2.2 破壞機(jī)制

典型破壞情況的應(yīng)力云圖與試驗(yàn)對(duì)比如圖4、圖5所示，可以看出，節(jié)點(diǎn)的總體破壞趨勢(shì)為加強(qiáng)環(huán)板梁端翼緣部分的塑性被破壞，受壓的部分首先達(dá)到屈服，接著對(duì)應(yīng)位置的梁腹板直至整個(gè)梁截面也開(kāi)始屈服，與試驗(yàn)過(guò)程中梁端先出現(xiàn)鼓曲的現(xiàn)象相符合。在有限元模型中可以看到，加強(qiáng)環(huán)板與梁端連接的最外一排螺栓對(duì)應(yīng)的梁翼緣處有較明顯的應(yīng)力集中，和試驗(yàn)過(guò)程中相應(yīng)位置的梁翼緣出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象相吻合。同時(shí)，在一些幾何形狀不規(guī)則處或者焊縫處容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形，例如在左右梁端方向的核心區(qū)柱座、柱壁與加強(qiáng)環(huán)板連接處，對(duì)于該節(jié)點(diǎn)在實(shí)際工程中應(yīng)嚴(yán)格控制焊縫的質(zhì)量，防止發(fā)生脆性破壞導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)提前失效從而影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。有限元數(shù)值模擬所得構(gòu)件的破壞過(guò)程、應(yīng)力分布情況與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，證明本文的有限元模型能可靠地還原試驗(yàn)中試件的受力過(guò)程及破壞模態(tài)。

(a)應(yīng)力云圖

(a)應(yīng)力云圖

2.3 滯回曲線與骨架曲線

數(shù)值分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖6所示，由圖可知，滯回曲線均顯示為梭形，表示其耗能能力良好。骨架曲線的下降過(guò)程較為平緩，延性較好，其正負(fù)向加載段的曲線有一定的偏差，可能是由于存在構(gòu)件的初始缺陷以及材料的累計(jì)損傷所導(dǎo)致。從滯回曲線和骨架曲線可以看出，結(jié)構(gòu)整體抗震性能較好，有限元模擬的受力性能整體上與試驗(yàn)結(jié)果保持一致。

3 參數(shù)化分析

在有限元模型驗(yàn)證可靠的基礎(chǔ)上，討論節(jié)點(diǎn)不同加強(qiáng)環(huán)板處的構(gòu)造形式對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。

(a)滯回曲線

3.1 加強(qiáng)環(huán)板轉(zhuǎn)角處構(gòu)造形式

由于在節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了加強(qiáng)環(huán)板外伸部分折角處存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，影響了節(jié)點(diǎn)的性能，于是提出圓弧型的加強(qiáng)環(huán)板外伸部分折角形式。對(duì)比了課題組進(jìn)行的直角型折角構(gòu)造與圓弧型折角構(gòu)造對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞的影響。加強(qiáng)環(huán)板圓弧半徑為158 mm，其他構(gòu)造和參數(shù)均與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件保持一致。

3.2 節(jié)點(diǎn)破壞模式及應(yīng)力云圖

截取柱頂加載位移為160 mm時(shí)的節(jié)點(diǎn)部件應(yīng)力云圖，比較直角型加強(qiáng)環(huán)板和圓弧型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)有限元云圖如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件的屈服均首先發(fā)生在加強(qiáng)環(huán)板外的鋼梁翼緣上并逐步向鋼梁腹板擴(kuò)展，同時(shí)，兩個(gè)模型的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)柱座外壁都存在較大的剪切現(xiàn)象，在加強(qiáng)環(huán)板、柱壁、鋼梁等連接部位也出現(xiàn)較大應(yīng)力，實(shí)際采用時(shí)應(yīng)加強(qiáng)這些部位的連接。但采用了圓弧型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)的模型在核心區(qū)的變形較直角型節(jié)點(diǎn)模型的更小，應(yīng)力與變形主要集中在外環(huán)板外側(cè)梁翼緣的屈曲變形，而直角型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域變形較大，使得塑性變形在梁翼緣與腹板內(nèi)發(fā)展較為緩慢。對(duì)比兩個(gè)模型的加強(qiáng)環(huán)板云圖，發(fā)現(xiàn)圓弧型加強(qiáng)環(huán)板的應(yīng)力主要集中在與柱焊接的4個(gè)內(nèi)角處，且圓弧型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)的高應(yīng)力區(qū)域較直角型加強(qiáng)環(huán)板的高應(yīng)力區(qū)域更小，而直角型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力主要集中在加強(qiáng)環(huán)板在梁翼緣外伸部分的折角處且由螺栓孔處向內(nèi)發(fā)展，容易對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)域造成不利影響。

(a)直角型節(jié)點(diǎn)梁翼緣應(yīng)力 (b)圓弧型節(jié)點(diǎn)梁翼緣應(yīng)力 (c)直角型節(jié)點(diǎn)整體應(yīng)力

3.3 滯回曲線

節(jié)點(diǎn)模型的滯回曲線如圖8所示，可以看出，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的耗能能力與抗震性能都較好，當(dāng)處在幅值較小的加載級(jí)時(shí)，模型的剛度較為一致，滯回曲線保持直線上升，卸載后沒(méi)有殘余變形出現(xiàn)，模型處在彈性范圍內(nèi)。隨著加載位移的不斷增加，各級(jí)加載的滯回曲線變化呈現(xiàn)基本一致的趨勢(shì)，節(jié)點(diǎn)剛度不斷減小，在達(dá)到極限荷載后，試件承載力下降。對(duì)比模型的差異可以看出，采用圓弧型加強(qiáng)環(huán)板的節(jié)點(diǎn)模型滯回曲線較采用直角型加強(qiáng)環(huán)板的節(jié)點(diǎn)模型滯回曲線更加飽滿，且對(duì)應(yīng)的極限承載力較大，表明圓弧型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)比直角型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)有更好的抗震性能和承載能力。

(a)直角型

3.4 骨架曲線

將兩個(gè)模型滯回曲線同向各加載級(jí)的峰值點(diǎn)連接形成的曲線就是骨架曲線[8]，如圖9所示。從模型骨架曲線的整體趨勢(shì)看出，兩個(gè)不同節(jié)點(diǎn)模型在加載初期均處于彈性階段，圓弧型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)模型的初始剛度比直角型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)的大。隨著柱頂位移提高，骨架曲線在拐點(diǎn)出現(xiàn)后斜率逐漸減小，顯示為彈塑性階段。直至加載到一定程度，骨架曲線的荷載隨著位移變化較為滯后，骨架曲線的承載力開(kāi)始下降直至停止加載。在整個(gè)模擬加載過(guò)程中，各試件具有基本一致的骨架曲線走勢(shì)，但也可以從骨架曲線看出，圓弧型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)的屈服荷載點(diǎn)和極限荷載點(diǎn)比直角型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)的延后，圓弧型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)具有更好的承載能力。

圖9 骨架曲線對(duì)比

3.5 延性性能

如果一個(gè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的延性好，其變形能力越強(qiáng)，衡量延性性能的指標(biāo)越高，說(shuō)明其在達(dá)到屈服或最大承載能力狀態(tài)后仍能吸收一定的能量；反之，模型容易發(fā)生脆性破壞。因此，在衡量結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抗震性能節(jié)點(diǎn)時(shí)，可以將延性性能作為一個(gè)重要的考量因素[9]。本文用位移延性系數(shù)來(lái)表示結(jié)構(gòu)的延性性能，其計(jì)算式為：

(1)

式中，μ為位移延性系數(shù)；△μ為構(gòu)件破壞時(shí)或停止加載時(shí)對(duì)應(yīng)的位移；△y為構(gòu)件屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的位移。

延性系數(shù)如表1所示，可以看出，改變了加強(qiáng)環(huán)板局部構(gòu)造后，節(jié)點(diǎn)的延性性能有所提高，對(duì)改善節(jié)點(diǎn)的抗震性能有利。

表1 延性系數(shù)

3.6 耗能能力

耗能能力的強(qiáng)弱也是評(píng)判一個(gè)節(jié)點(diǎn)性能是否良好的表現(xiàn)因素。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在地震作用下耗散的能量越大，就可以更加有效減少其他重要構(gòu)件在地震時(shí)承載的地震能量，起到保護(hù)核心構(gòu)件的作用，就說(shuō)明節(jié)點(diǎn)的耗能能力強(qiáng)。節(jié)點(diǎn)的耗能能力大小一般通過(guò)分析滯回環(huán)的面積得到，滯回環(huán)包圍的面積越大，說(shuō)明耗能能力越好。本文通過(guò)計(jì)算滯回環(huán)面積得出等效粘滯阻尼系數(shù)he，用he來(lái)比較法蘭外環(huán)板式節(jié)點(diǎn)耗能能力大小，he值越大，耗能能力越好，計(jì)算示意如圖10所示。

圖10 he計(jì)算示意

(2)

通過(guò)計(jì)算得到兩個(gè)模型在相同加載級(jí)下滯回環(huán)的面積與等效粘滯阻尼系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表2所示，在相同加載級(jí)下，圓弧型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)滯回環(huán)面積大于直角型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)滯回環(huán)面積，且等效粘滯阻尼系數(shù)更高，說(shuō)明圓弧型構(gòu)造對(duì)提高節(jié)點(diǎn)抗震性能更有利。

表2 等效粘滯阻尼系數(shù)

3.7 剛度退化

兩個(gè)模型的剛度退化曲線對(duì)比如圖11所示，可以看出，兩個(gè)模型的剛度都存在退化趨勢(shì)。圓弧型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)的整體剛度明顯比直角型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)的大；在加載初始階段，剛度退化曲線在圖中呈現(xiàn)為水平段，表示兩個(gè)模型的剛度退化速率都比較緩慢。隨著模擬過(guò)程中位移加載值的不斷增大，模型的彈塑性狀態(tài)不斷開(kāi)展，剛度退化速率變快，圓弧型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)的退化速率大于直角型節(jié)點(diǎn)。進(jìn)入加載的最后階段，節(jié)點(diǎn)剛度較小且剛度退化速率較慢?？梢钥闯?，對(duì)應(yīng)時(shí)刻圓弧型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)的剛度整體大于直角型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)。

圖11 剛度退化曲線對(duì)比

4 結(jié)論

為研究新型法蘭外環(huán)板式節(jié)點(diǎn)的不同加強(qiáng)環(huán)板轉(zhuǎn)角形式的抗震性能，本文利用ABAQUS建立數(shù)值模型分析，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了建立的有限元模型的合理性，進(jìn)而通過(guò)將模型中加強(qiáng)環(huán)板轉(zhuǎn)角形式改變?yōu)閳A弧型來(lái)分析兩種不同形式下的節(jié)點(diǎn)破壞形式和抗震性能，結(jié)果表明：

(1)圓弧型加強(qiáng)環(huán)板的應(yīng)力主要集中在與柱焊接的4個(gè)內(nèi)角處，且圓弧型加強(qiáng)環(huán)板的高應(yīng)力區(qū)域較直角型加強(qiáng)環(huán)板的高應(yīng)力區(qū)域更小，而直角型加強(qiáng)環(huán)板的應(yīng)力主要集中在加強(qiáng)環(huán)板在梁翼緣外伸部分的折角處且由螺栓孔處向內(nèi)發(fā)展，容易對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)域形成不利影響。

(2)采用圓弧型加強(qiáng)環(huán)板的節(jié)點(diǎn)模型滯回曲線較采用直角型加強(qiáng)環(huán)板的節(jié)點(diǎn)模型滯回曲線更加飽滿，且對(duì)應(yīng)的極限承載力較大，表明圓弧型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)比直角型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)有更好的抗震性能和承載能力。

(3)在整個(gè)模擬加載過(guò)程中，各試件具有基本一致的骨架曲線走勢(shì)，但也可以看出圓弧型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)的屈服荷載點(diǎn)和極限荷載點(diǎn)比直角型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)的延后，圓弧型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)具有更好的承載能力。

(4)在改變了加強(qiáng)環(huán)板局部構(gòu)造后，節(jié)點(diǎn)的延性性能有所提高。

(5)在相同加載級(jí)下，圓弧型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)滯回環(huán)面積大于直角型加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)滯回環(huán)面積，且等效粘滯阻尼系數(shù)更高，說(shuō)明圓弧型構(gòu)造對(duì)提高節(jié)點(diǎn)抗震性能更有利。

綜上，改變加強(qiáng)環(huán)板轉(zhuǎn)角處構(gòu)造，能較好地避免節(jié)點(diǎn)直角加強(qiáng)環(huán)板轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力集中，抗震性能更好。