鋼框架擴(kuò)翼型節(jié)點的有限元分析與試驗對比★

韓學(xué)建 桑 勇

(重慶單軌交通工程有限責(zé)任公司，重慶 400081)

0 引言

在1994年的美國北嶺地震以及1995年的日本阪神地震中，發(fā)生了大范圍的連接脆性破壞，破壞程度由細(xì)小的微裂紋到完全的柱截面斷裂破壞不等［1-3］。塑性鉸外移是解決鋼框架連接抗震性能問題的有效途徑，而梁端翼緣擴(kuò)翼型節(jié)點是實現(xiàn)塑性鉸外移的一種有效方法。近年來，國內(nèi)外對考慮塑性鉸外移的梁端翼緣擴(kuò)翼型節(jié)點的研究已取得了一定成果，但由于起步較晚，有關(guān)的試驗資料非常有限，也缺乏相應(yīng)的理論研究，因此對梁端翼緣擴(kuò)翼型節(jié)點做深入系統(tǒng)的研究是非常必要的。

1 有限元模型

本文在模型建立的過程中，對Solid92實體單元施加約束時，對試件柱的上下端施加X，Y，Z三個方向的固定約束，在梁的自由端施加X方向的約束，對梁端截面的所有節(jié)點進(jìn)行Y方向位移耦合，外力相當(dāng)于梁的平面外約束，以位移的方式施加于耦合面的主節(jié)點上。分析中為了突出節(jié)點構(gòu)造對節(jié)點性能的影響，忽略了焊接殘余應(yīng)力和高強(qiáng)螺栓的影響。

2 試驗驗證

試驗按真實結(jié)構(gòu)尺寸1∶2的比例設(shè)計，試件的梁柱截面尺寸及擴(kuò)翼參數(shù)見表1，節(jié)點連接的構(gòu)造示意圖見圖1，圖2，參照我國JGJ 99-98高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的規(guī)定將梁腹板端頭上下角切割成扇形缺口，切口半徑為35 mm［4］。

圖1 試件WFS-1擴(kuò)翼部分

表1 試件截面尺寸及擴(kuò)翼參數(shù)

圖2 試件WFS-2擴(kuò)翼部分

2.1 破壞形態(tài)對比

破壞形態(tài)對比如圖3，圖4所示，可以看出有限元模型可以對節(jié)點的局部屈曲現(xiàn)象有較好的模擬。

圖3 WFS-1塑性鉸區(qū)

2.2 滯回曲線

通過對比可以看出，試驗得到的試件滯回曲線與有限元模擬得到的試件滯回曲線非常吻合。說明有限元模擬時所選用的材料本構(gòu)關(guān)系及模擬時采用的單元類型等一系列設(shè)置均與實際較為符合［5］。

圖4 WFS-2塑性鉸區(qū)

3 試件分析結(jié)果對比

ANSYS模型分析結(jié)果與試驗結(jié)果如表2所示。

表2 循環(huán)荷載作用下試驗值與模擬值結(jié)果對比

滯回曲線如圖5～圖8所示。

圖6 WFS-1梁端荷載—位移滯回曲線（試驗結(jié)果）

圖5 WFS-1梁端荷載—位移滯回曲線（有限元分析）

圖7 WFS-2梁端荷載—位移滯回曲線（有限元分析）

通過對比試驗值與模擬值可以看出:節(jié)點的屈服荷載、極限荷載及延性系數(shù)的有限元計算值與試驗值比較接近，因此對于梁端擴(kuò)翼型節(jié)點用ANSYS來分析是可靠的;節(jié)點的塑性轉(zhuǎn)角及總轉(zhuǎn)角均超過了3%rad和5%rad，滿足抗震性能最低標(biāo)準(zhǔn);試件隨著擴(kuò)翼段長度的變長，塑性轉(zhuǎn)角逐漸減小，塑性轉(zhuǎn)角占總轉(zhuǎn)角的比例也逐漸減小，耗能能力逐漸降低;采用梁端擴(kuò)翼型梁柱連接后塑性轉(zhuǎn)角在總轉(zhuǎn)角中所占的比重較大，其耗散能量的作用比較有效。

圖8 WFS-2梁端荷載—位移滯回曲線（試驗結(jié)果）

試件的屈服荷載和極限荷載及延性系數(shù)的有限元模擬值比試驗值大，主要是由于ANSYS軟件中對于焊縫難以模擬，且試件在加工中存在鋼材材質(zhì)不均勻、節(jié)點焊接殘余應(yīng)力、構(gòu)件初始偏心、焊接熱和加工誤差等ANSYS軟件難以模擬的因素。

4 結(jié)語

1)根據(jù)試驗中的擴(kuò)翼型節(jié)點試件，建立與試驗節(jié)點相對應(yīng)的三維有限元模型，采用ANSYS有限元分析軟件對試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了循環(huán)荷載下的有限元計算，得到的梁端加載點荷載—位移滯回曲線均形狀飽滿，呈豐滿的紡錘狀，模型中選取的單元類型材料本構(gòu)關(guān)系是合理的。

2)節(jié)點的屈服荷載、極限荷載及延性系數(shù)的有限元計算值與試驗值比較接近，因此對于梁端擴(kuò)翼型節(jié)點用ANSYS來分析是可靠的。

3)用梁端擴(kuò)翼型梁柱連接后塑性轉(zhuǎn)角在總轉(zhuǎn)角中所占的比重較大，其耗散能量的作用比較有效，試件隨著擴(kuò)翼段長度的變長，塑性轉(zhuǎn)角逐漸減小，塑性轉(zhuǎn)角占總轉(zhuǎn)角的比例逐漸減小，耗能能力逐漸降低。

［1］ Nakashima M，Inoue K，Tada M.Classification of Damage to Steel Building Observed in the 1995 Hyogoken-Nanbu Earthquake［J］.Engineering Structures，1998，20(4):271-281.

［2］ AISC，SPSecial Task Committee on the Northridge Earthquake.American Institute of Steel Construction，Chicago，1994.

［3］ William E.Gates，Manuel Modern.Professional Structural Engineering Experience Related to Welded Steel Moment Frames Following the Northridge Earthquake［J］.Engineering Structures，1998，20(4):249-260.

［4］ 顧 強(qiáng).鋼結(jié)構(gòu)滯回性能及抗震設(shè)計［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［5］ 邱法維，錢稼茹.結(jié)構(gòu)抗震試驗方法［M］.北京:科學(xué)出版社，2000.