腹板開(kāi)孔型組合梁柱節(jié)點(diǎn)的研究①

紀(jì)萬(wàn)金， 韓 倩

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

0 引言

在鋼框架結(jié)構(gòu)中，鋼與混凝土組合梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]，樓板通常采用組合樓板(壓型鋼板與混凝土組合板)，組合樓板與鋼梁就構(gòu)成了組合梁結(jié)構(gòu)．組合梁能夠充分利用鋼材抗拉性能和混凝土的抗壓性能，使鋼材與混凝土材料性能得到合理的利用．但是組合樓板使組合梁截面受壓中和軸上移，所以鋼梁的下翼緣應(yīng)力要比上翼緣大很多，同時(shí)下翼緣的變形較大，組合樓板約束組合梁與鋼柱連接節(jié)點(diǎn)的變形能力，使得組合節(jié)點(diǎn)鋼梁下翼緣處的應(yīng)力集中狀況更加明顯[6]．所以在地震作用下，節(jié)點(diǎn)受到高應(yīng)力和大變形要求，鋼梁下翼緣易導(dǎo)致脆性破壞，會(huì)在一定程度上降低鋼框架的節(jié)點(diǎn)的延性和轉(zhuǎn)動(dòng)性能．因此，混凝土板的存在對(duì)節(jié)點(diǎn)下翼緣的脆性破壞具有潛在的影響．但是如果在鋼梁腹板開(kāi)孔，削弱梁腹板，在地震作用下，開(kāi)孔處實(shí)現(xiàn)空腹梁機(jī)制，形成塑性鉸，遠(yuǎn)離易發(fā)生脆性破壞的節(jié)點(diǎn)根部，實(shí)現(xiàn)塑性鉸外移，使得節(jié)點(diǎn)具有良好的抗震性能[5]．

1 腹板開(kāi)孔對(duì)組合梁－柱的有限元分析

組合梁柱節(jié)點(diǎn)，在地震作用下，鋼梁下翼緣節(jié)點(diǎn)根部，受到高應(yīng)力和較大的變形需求，以及焊縫殘余應(yīng)力的影響，容易發(fā)生脆性破壞．如果削弱鋼梁腹板(開(kāi)孔)，實(shí)現(xiàn)塑性鉸外移，這樣節(jié)點(diǎn)有更好的延性以及能更好的吸收地震能量，具有良好的抗震性能．節(jié)點(diǎn)的有限元分析通常把塑性應(yīng)變發(fā)生位置和發(fā)展情況來(lái)判斷塑性鉸產(chǎn)生的依據(jù)，所以我們要研究組合梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域的塑性應(yīng)變發(fā)生位置和發(fā)展情況．

根據(jù)實(shí)際工程中的鋼框架結(jié)構(gòu)中的組合樓板與鋼梁(包括主梁和次梁)的連接構(gòu)造要求，建立腹板開(kāi)孔的組合梁柱節(jié)點(diǎn)分析模型，其主要構(gòu)造為:主梁與柱翼緣焊接，在主梁的腹板的特定位置開(kāi)孔削弱，次梁與柱加勁肋焊接，組合樓板與鋼梁通過(guò)抗剪連接件連接，并協(xié)同工作，抗剪連接件焊接于梁上翼緣頂面，壓型鋼板與混凝土板構(gòu)成組合樓板．分析模型基本尺寸如下:主梁、次梁和柱均用H型截面;主次梁截面尺寸為H400×150×6×10，主梁腹板開(kāi)圓孔(距離柱翼緣b=400的位置，梁腹板開(kāi)孔半徑r=135，145，155)，柱截面尺寸為H450×300×10×16;樓板厚度取100mm，鋼梁上面的組合樓板寬度取1400mm．約束條件為:在柱梁端施加固定約束，在主梁的懸挑端施加位移荷載D．

組合梁柱節(jié)點(diǎn)的有限元模型中，用SOLID45單元模擬鋼結(jié)構(gòu)部分(主次梁、柱等);用SOLID65單元模擬混凝土組合板，同時(shí)考慮組合板開(kāi)裂的影響，組合板的鋼筋采用整體式建模;用BEAM188和COMBIN39單元模擬抗剪連接件(栓釘)，用3D接觸單元(TARGE170和CONTA174)模擬鋼梁與組合板之間的接觸面．鋼材采用Q235鋼，混凝土采用C30混凝土．組合梁柱節(jié)點(diǎn)的有限元模型如圖1所示．

組合節(jié)點(diǎn)的塑性應(yīng)變發(fā)展情況如圖2所示，當(dāng)D=5mm時(shí)，組合梁柱節(jié)點(diǎn)的塑性應(yīng)變最先出現(xiàn)在鋼梁下翼緣與柱焊縫位置，鋼梁其它位置沒(méi)有出現(xiàn)塑性應(yīng)變;當(dāng)D=9mm時(shí)，鋼梁上翼緣與柱焊縫位置以及鋼梁腹板開(kāi)孔左下方也出現(xiàn)了塑性應(yīng)變，但是孔左下方的塑性應(yīng)變發(fā)展較快，此刻，組合梁柱節(jié)點(diǎn)的最大塑性應(yīng)變集中在鋼梁與柱的焊接位置;當(dāng)D=15mm時(shí)，鋼梁腹板的開(kāi)孔的塑性應(yīng)變同時(shí)向梁上下翼緣擴(kuò)展，但是梁下翼緣方向的塑性應(yīng)變擴(kuò)展的較快，此刻最大塑性應(yīng)變從梁下翼緣與柱的焊縫位置轉(zhuǎn)移到鋼梁腹板開(kāi)孔的下方;當(dāng)D=23mm時(shí)，鋼梁梁上翼緣的塑性發(fā)展速度較慢，塑性區(qū)較小，而鋼梁下翼緣腹板開(kāi)孔下方的塑性應(yīng)變發(fā)展較快，塑性區(qū)較大．隨著加載位移的繼續(xù)增大，最大塑性應(yīng)變保持在鋼梁腹板開(kāi)孔下方．

圖1 組合梁柱節(jié)點(diǎn)有限元模型

圖2 節(jié)點(diǎn)的塑性應(yīng)變發(fā)展情況

組合梁柱節(jié)點(diǎn)在梁腹板開(kāi)孔后，鋼梁的上翼緣的塑性發(fā)展較慢，塑性應(yīng)變區(qū)域非常小，而下翼緣的塑性發(fā)展較快，塑性應(yīng)變區(qū)域較大．當(dāng)D＜15mm時(shí)，組合梁柱節(jié)點(diǎn)的最大塑性應(yīng)變出現(xiàn)在梁翼緣與柱連接焊縫處，在D＞15mm時(shí)，最大塑性應(yīng)變從焊縫處轉(zhuǎn)移到腹板開(kāi)孔下方，隨著加載位移D的增加，最大塑性應(yīng)變?cè)诖藬U(kuò)展，并形成塑性鉸，達(dá)到塑性鉸外移的效果．在地震作用下，組合梁柱節(jié)點(diǎn)的最終破壞為延性破壞，具有良好的抗震性能．

2 腹板開(kāi)孔對(duì)組合梁柱的實(shí)驗(yàn)分析

有限元分析中已經(jīng)證明了腹板開(kāi)孔能夠使組合梁柱節(jié)點(diǎn)的塑性鉸形成位置遠(yuǎn)離梁根部焊縫連接處，能夠形成塑性鉸，屬于抗震性能較好的節(jié)點(diǎn)，下面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析與有限元分析對(duì)比驗(yàn)證腹板開(kāi)孔型的組合梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能．

根據(jù)實(shí)際工程中的組合梁柱節(jié)點(diǎn)連接形式，以及有限元分析采用的節(jié)點(diǎn)連接形式，建立了組合梁柱節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停境叽缛缦?主梁、次梁和柱均用H型截面;主次梁截面尺寸為H400×150×6×10，柱截面尺寸為H450×300×10×16;樓板厚度取125mm，鋼梁上面的組合樓板寬度取1400mm．約束條件為:在柱梁端施加固定約束，在主梁的懸挑端施加往復(fù)位移荷載．

圖3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

組合梁柱節(jié)點(diǎn)試件的實(shí)驗(yàn)裝置為:組合梁與地面垂直，鋼柱水平放置，在鋼柱的兩個(gè)端頭設(shè)置與地面固定裝置頂住試件，防止水平滑移，組合梁端由水平放置固定于反力墻上的雙向千斤頂在組合梁端施加往復(fù)荷載．由于本次試驗(yàn)主要研究節(jié)點(diǎn)的塑性塑性鉸形成、滯回性能以及破壞模式，所以采用了循環(huán)加載的方式．

圖4 組合梁柱節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的滯回曲線

圖5 節(jié)點(diǎn)的破壞模式

當(dāng)組合梁端節(jié)點(diǎn)的位移荷載加載到75mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)破壞，節(jié)點(diǎn)破壞現(xiàn)象如圖6所示:第一，壓型鋼板與混凝土組合樓板的出現(xiàn)很多裂縫，大部分集中組合樓板與鋼柱接觸的四周，如圖3(a)所示，組合樓板的橫向裂縫是由混凝土板受拉造成的，鋼柱四周凌亂的裂縫是由于組合樓板與鋼柱接觸受壓造成的;第二，組合樓板側(cè)面，混凝土板與壓型鋼板大部分已經(jīng)脫開(kāi)，如圖3(b)所示，脫開(kāi)同時(shí)發(fā)出巨大響聲，主要是由于抗剪連接件拉斷造成的;第三，鋼梁腹板開(kāi)孔處形成了不規(guī)則的橢圓形，如圖3(c)所示，主要是由于在開(kāi)孔處形成了塑性鉸，同時(shí)開(kāi)孔處的塑性區(qū)分布和發(fā)展的不均衡性造成的，同時(shí)開(kāi)孔處吸收了往復(fù)施加的荷載位移能量;第四，鋼梁的上下翼緣都出現(xiàn)了波浪形，但是鋼梁下翼緣的波浪形要比上翼緣明顯的多，如圖3(c)所示，由于組合樓板的組合效應(yīng)，使得梁柱節(jié)點(diǎn)的受壓中和軸上移，造成鋼梁上翼緣的應(yīng)力較小，塑性發(fā)展較慢，所以鋼梁上翼緣的波浪型不明顯;同時(shí)組合梁柱節(jié)點(diǎn)中和軸上移使得鋼梁下翼緣應(yīng)力更大，由于鋼梁腹板開(kāi)孔也虛弱了節(jié)點(diǎn)的抗剪能力，節(jié)點(diǎn)的下翼緣也要參與抗剪，因此在腹板開(kāi)孔下方與對(duì)應(yīng)的下翼緣位置的塑性應(yīng)變較大，發(fā)展較快，最后形成塑性鉸，所以鋼梁下翼緣的開(kāi)孔的下方出現(xiàn)明顯的波浪型．

總之，節(jié)點(diǎn)破壞后，鋼梁下翼緣的開(kāi)孔下方的出現(xiàn)明顯的波浪型，腹板開(kāi)孔處形成極不規(guī)則的橢圓形，但是組合梁柱節(jié)點(diǎn)的焊縫處完好，實(shí)現(xiàn)了塑性鉸外移的效果，同時(shí)實(shí)驗(yàn)得到的滯回曲線比較飽滿(如圖4所示)，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)的延性比較好．主要原因是梁腹板開(kāi)孔削弱了節(jié)點(diǎn)的抗剪能力，在彎剪共同作用下，組合梁腹板開(kāi)孔處的塑性應(yīng)變要比組合梁柱焊縫處的塑性應(yīng)變大，塑性發(fā)展快，因此梁腹板開(kāi)孔下方形成塑性鉸，遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)焊縫處，所以節(jié)點(diǎn)破壞屬于延性破壞，同時(shí)具有良好的抗震性能．

3 組合梁柱節(jié)點(diǎn)破壞模式的研究

在有限元分析和實(shí)驗(yàn)分析中，腹板開(kāi)孔型組合梁柱節(jié)點(diǎn)破壞和變形情況如圖5所示．組合梁柱節(jié)點(diǎn)在焊縫處均未發(fā)生脆性破壞，同時(shí)在梁下翼緣都出現(xiàn)了明顯的波浪型，梁腹板開(kāi)孔處形成了不規(guī)則的橢圓形．所以有限元分析和實(shí)驗(yàn)分析中關(guān)于節(jié)點(diǎn)的破壞模式吻合的比較好，同時(shí)也證明了腹板開(kāi)孔型組合梁柱節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了達(dá)到了塑性鉸外移的效果，所以腹板開(kāi)孔的組合梁柱節(jié)點(diǎn)具有良好的抗震性能．腹板開(kāi)孔型組合梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞模式為:在開(kāi)孔處形成了空腹梁機(jī)制，在此處形成了塑性鉸，屬于延性破壞．

4 結(jié)論

本論文對(duì)腹板開(kāi)孔型組合梁柱節(jié)點(diǎn)的塑性應(yīng)變分布、滯回性能、破壞模式進(jìn)行了有限元分析和實(shí)驗(yàn)分析，通過(guò)對(duì)比，驗(yàn)證了本文關(guān)于腹板開(kāi)孔型組合梁柱節(jié)點(diǎn)的研究正確性，結(jié)論如下:腹板開(kāi)孔型組合梁柱節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)，梁下翼緣開(kāi)孔位置出現(xiàn)明顯的波浪型，梁腹板開(kāi)孔位置成為極不規(guī)則的橢圓形，但是梁柱焊接處完好．說(shuō)明腹板開(kāi)孔型組合梁柱節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)了塑性鉸外移的效果，破壞屬于延性破壞．從節(jié)點(diǎn)的滯回曲線的包絡(luò)面積來(lái)看，節(jié)點(diǎn)抗震性能比較好．

[1] 聶建國(guó)．鋼－混凝土組合梁結(jié)構(gòu)——試驗(yàn)、理論與應(yīng)用[M]．北京:科學(xué)出版社，2005．

[2] 劉其祥，蔡益燕，朱知信，顧泰昌．多高層房屋鋼結(jié)構(gòu)梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)[J]．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2001，31(8):9－12．

[3] Chen Sheng－ Jin，Chao Y．C．．Effect of Composite Action on Seismic Performance of Steel Moment Connections with Reduced Beam Sections[J]．Journal of Construction Steel Research．2001，57(5):417－434．

[4] FEMA FEMA －350 Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment－ Frame Buildings[J]．USA Federal Emergency Management Agency，2000．

[5] 茹繼平．梁腹板開(kāi)孔節(jié)點(diǎn)及鋼框架抗震性能實(shí)驗(yàn)研究[D]．北京:北京交通大學(xué)，2005．

[6] 石永久，蘇迪，王元清．考慮組合效應(yīng)的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型研究[J]．世界地震工程，2008，24(2):51，61，71，81．

[7] 邱宏剛，高層鋼框架削弱型節(jié)點(diǎn)抗震性能研究[D]．北京:北方交通大學(xué)，2003．

[8] 謝曉棟，削弱型鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的性能研究[D]．北京:北京交通大學(xué)，2004．

[9] 蘇迪，石永久，王元清．組合效應(yīng)對(duì)鋼節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響[J]．青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27(1):36 －41．

[10] 顧強(qiáng)．鋼結(jié)構(gòu)滯回性能及抗震設(shè)計(jì)[M]．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008．