新型鋼管柱－H形梁鑄鋼模塊化節(jié)點的概念設(shè)計與抗震性能評估

王 偉，王明興

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海 200092;2.同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系，上海 200092)

節(jié)點是鋼結(jié)構(gòu)體系中使構(gòu)件相互連接并成為整體的關(guān)鍵部位，其性能直接影響結(jié)構(gòu)的剛度、穩(wěn)定性、承載能力與耗能能力。由于傳統(tǒng)梁柱節(jié)點一般采用全焊連接或栓焊連接，焊縫熱影響區(qū)和螺栓滑移都可能對節(jié)點的抗震性能產(chǎn)生不利影響。例如，在1994年日本阪神地震和1995年美國北嶺地震中，超過100幢高延性鋼框架的焊接節(jié)點發(fā)生了斷裂［1－2］。后續(xù)研究形成的共識表明，合理的節(jié)點抗震設(shè)計除需提高焊縫本身的韌性之外，更應(yīng)注重通過造型的優(yōu)化對應(yīng)力流的方向進(jìn)行控制，進(jìn)而降低對斷裂韌性的需求［3］。與這些傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點相比，鑄鋼模塊化節(jié)點(即通過鑄造技術(shù)將節(jié)點區(qū)域制成一個整體鑄鋼模塊后與相鄰梁柱焊接)能使焊縫遠(yuǎn)離最不利截面，同時恰可通過幾何造型的靈活變化滿足剛度、承載能力、耗能能力以及澆鑄工藝的要求，且具有優(yōu)美的建筑外觀［4］，因而在改善鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能方面具有較大的工程應(yīng)用前景。另一方面，近年來冷成型方(矩)形鋼管柱已較多應(yīng)用于地震區(qū)的多高層空間鋼框架結(jié)構(gòu)，主要是由于其在截面兩個正交方向上幾何和力學(xué)性能相近，抗彎模量大，內(nèi)部空間易于填充混凝土，且造型優(yōu)美。因此，本文主要針對鑄鋼模塊化耗能技術(shù)在鋼管柱－H形梁框架節(jié)點中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 鑄鋼件在鋼結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀

近年來鑄鋼件在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用主要以大跨空間鋼結(jié)構(gòu)中的鑄鋼節(jié)點為主，由于鑄鋼節(jié)點為整體澆鑄成型，避免了多桿交匯的節(jié)點區(qū)焊縫密集、應(yīng)力集中和焊接殘余應(yīng)力大、制作加工困難等問題，已在廣州會展中心［5］、北京老山自行車館［6］等大跨度空間結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。隨著研發(fā)工作的深入，鑄鋼節(jié)點在鋼框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用和研究也在近年來得以開展，主要涉及H形梁柱節(jié)點及與支撐的連接。

在鋼框架 H 形梁柱節(jié)點方面，F(xiàn)leischman 等［7－8］提出了一種鑄鋼整體節(jié)點PZ－MN(圖1)，其主要特點有:① 梁連接區(qū)端部和柱腹板加勁板端部的圓角構(gòu)成的“十”字形，減小了梁翼緣與柱翼緣交接處的局部扭曲;② 梁連接區(qū)無腹板，以防止梁翼緣發(fā)展更高的端部剪力，從而大大地減小梁翼緣彎曲和在梁連接區(qū)的翼緣和腹板交接處的塑性應(yīng)變梯度;③ 梁連接區(qū)以及連接節(jié)點域的柱翼緣截面削弱(鑄造形成)，達(dá)到控制節(jié)點域形成延性的變形機(jī)制的目的;④ 梁連接區(qū)翼緣加勁肋和腹板連接的構(gòu)造，分別減小了焊縫位置的二次彎曲和增強梁連接區(qū)翼緣的局部穩(wěn)定性。研究表明，該節(jié)點具有良好的延性和穩(wěn)定高效的耗能能力。Ali Sumer等［9－10］提出了一種新型梁柱連接件，避免了螺栓撬力，由節(jié)點連接件的大變形給結(jié)構(gòu)提供足夠的延性。邵永松等［11－12］在總結(jié)以往梁柱半剛性連接優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，提出以鑄鋼件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的軋制連接件，利用有限元分析軟件ANSYS優(yōu)化得到適宜鋼框架連接的鑄鋼連接件及節(jié)點形式，對鑄鋼件連接鋼框架梁柱節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度進(jìn)行了參數(shù)分析和試驗驗證［13］，結(jié)果表明鑄鋼件連接節(jié)點初始剛度和極限承載力均較傳統(tǒng)半剛性節(jié)點有大幅度提高，表現(xiàn)出較好的延性和耗能能力。

圖1 PZ-MNFig.1 PZ-MN

在與支撐的連接方面，Oliveira等［14］提出了一種用于圓鋼管支撐與節(jié)點板連接的鑄鋼連接件，通過靜力和循環(huán)往復(fù)加載試驗表明該鑄鋼連接件是一種在抗震應(yīng)用中可選的連接鋼管支撐的方法。Ward等［15］開發(fā)了中心支撐鋼框架的鑄造模塊化支撐系統(tǒng)，并研究了該系統(tǒng)的屈曲控制問題［16］。

從上述研究現(xiàn)狀中不難看出，目前國內(nèi)外鑄鋼件應(yīng)用于多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的研究成果總體有限，尤其對于鋼管柱－H形梁框架連接中的應(yīng)用及研究尚未見報道。

圖2 節(jié)點域的變形模式［19］Fig.2 Deformation mode of panel zone

2 新型方(矩)形鋼管柱－H形梁鑄鋼模塊化節(jié)點的設(shè)計

2.1 設(shè)計理念

從2002年以來，國際上對鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點性能的研究開始較多關(guān)注以塑性耗能為導(dǎo)向的節(jié)點工作機(jī)理。節(jié)點域是抗震鋼結(jié)構(gòu)體系中的重要耗能部件，已有的研究表明［17－18］，節(jié)點域在屈服后仍有很高的富余強度，同時具有高延性、滯回耗能穩(wěn)定、往復(fù)應(yīng)變硬化顯著等特點，其剪切塑性變形模式可以提供較為穩(wěn)定和可預(yù)期的耗能能力。然而，當(dāng)節(jié)點域發(fā)生較大變形時也可能導(dǎo)致梁翼緣與柱翼緣焊接部位的角點附近局部扭曲，從而誘發(fā)斷裂見圖2［19］。這一現(xiàn)象引發(fā)了鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計研究中必須解決的一個重要課題，即如何在通過節(jié)點域穩(wěn)定滯回耗能以使得節(jié)點耗能能力最大化的同時又不失良好的剛度和延性。因此，本文針對方(矩)形鋼管柱與H形梁的連接提出一種節(jié)點域、梁端、柱端一體化澆鑄的新型鑄鋼模塊化節(jié)點，基于鑄造的靈活性對節(jié)點進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計，在滿足剛度要求的前提下使其既能充分發(fā)揮節(jié)點域穩(wěn)定優(yōu)良的耗能能力，又能最大程度延緩斷裂的發(fā)生，從而保證節(jié)點具有良好的延性。對于鋼框架結(jié)構(gòu)而言，節(jié)點型式一般重復(fù)度較高，通過設(shè)定若干標(biāo)準(zhǔn)型式和尺度的鑄鋼模塊化節(jié)點，可以實現(xiàn)模數(shù)化生產(chǎn)，有利于建筑工業(yè)化。

2.2 基于斷裂延遲的構(gòu)造設(shè)計

鑄鋼節(jié)點的幾何型式與性能可能受到鑄造工藝的影響，研發(fā)過程中應(yīng)按照規(guī)范的要求和相關(guān)設(shè)計指南進(jìn)行鑄造可行性論證和構(gòu)造設(shè)計。本文提出的方(矩)形鋼管柱－H形梁鑄鋼模塊化節(jié)點的構(gòu)造如圖3所示。需要指出的是，通過鑄造工藝很容易在柱內(nèi)節(jié)點域?qū)?yīng)梁上、下翼緣的位置分別鑄造出寬度約為節(jié)點域壁厚2倍并與節(jié)點域一體化的內(nèi)肋(相當(dāng)于傳統(tǒng)梁柱焊接節(jié)點的內(nèi)隔板)，用于提高梁翼緣拉壓力的傳遞效率。因而該鑄鋼模塊分為節(jié)點域、柱連接區(qū)、梁連接區(qū)、內(nèi)肋共4部分。其中，梁連接區(qū)與節(jié)點域的連接、內(nèi)肋與節(jié)點域的連接均為一體化鑄造成型的光滑弧面過渡，弧面曲率半徑約為梁翼緣厚度的2倍。該構(gòu)造設(shè)計的主要考慮是:當(dāng)節(jié)點域發(fā)生較大剪切變形時，弧面過渡不僅能降低應(yīng)力集中，還能增加局部連接部位的剛度，從而減輕梁翼緣與柱翼緣交接處的局部扭曲，延遲斷裂發(fā)生的可能性。鑄鋼模塊的柱連接區(qū)和梁連接區(qū)端部則分別與相鄰的鋼管柱、H形梁通過全熔透焊縫連接。

圖3 鑄鋼模塊化節(jié)點型式Fig.3 Pattern of cast modular joint

2.3 基于節(jié)點域耗能的承載力設(shè)計

為使鑄鋼模塊化節(jié)點耗能穩(wěn)定且具有良好的結(jié)構(gòu)適用性，應(yīng)對節(jié)點域與梁截面發(fā)展塑性耗能的時序進(jìn)行控制。一般可采用反映節(jié)點域與梁相對強弱的實用指標(biāo)如 VpzMy/Vpzy［20］或 VpzMp/Vpzp進(jìn)行承載力設(shè)計，其中VpzMy為梁邊緣屈服時的節(jié)點域剪力，Vpzy為節(jié)點域屈服時的剪力，VpzMp為梁全截面屈服時的節(jié)點域剪力，Vpzp為節(jié)點域的全塑性剪切承載力。節(jié)點域既不宜太薄，也不宜太厚。若節(jié)點域太薄，會使鋼框架的層間位移增大較多，即剛度不足，同時也可能無法滿足鑄造工藝的要求;而節(jié)點域太厚又會使其無法充分發(fā)揮耗能作用。因此需要結(jié)合基于結(jié)構(gòu)整體耗能能力的節(jié)點最優(yōu)耗能時序評估對上述實用指標(biāo)的取值范圍進(jìn)行深入研究?，F(xiàn)階段可近似按照我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011－2010)［21］有關(guān)傳統(tǒng)焊接節(jié)點域承載力的規(guī)定進(jìn)行鑄鋼模塊化節(jié)點的承載力設(shè)計，即符合下式要求:

式中Mpb1、Mpb2為分別為節(jié)點域兩側(cè)梁的全塑性受彎承載力;Vp為節(jié)點板域的體積，對于工字型截面柱Vp=hb1hc1tw，對于箱型截面柱 Vp=1.8hb1hc1tw;fyv為鋼材的屈服抗剪強度;ψ為折減系數(shù)，6度IV類場地和7度時可取 0.6，8、9 度時可取0.7。

對于工字型和箱型截面柱的節(jié)點域還應(yīng)按下式驗算節(jié)點域的穩(wěn)定性:

式中hb、hc為分別為梁腹板高度和柱腹板高度;tw為柱在節(jié)點域的腹板厚度。

需要說明的是，鑄鋼模塊化節(jié)點域附近的一體化光圓弧面對節(jié)點域全塑性剪切承載力的影響需要進(jìn)一步加以研究確定。

2.4 鑄鋼節(jié)點的設(shè)計依據(jù)與工藝要求

目前國內(nèi)可供參考的與鑄鋼節(jié)點設(shè)計有關(guān)的主要標(biāo)準(zhǔn)有:國家標(biāo)準(zhǔn)《一般工程用鑄造碳鋼件》(GB/T 11352 －2009)［22］、《焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件》(GB/T 7659 －2010)［23］、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鑄鋼節(jié)點應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS 235:2008)［24］。焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼的材料牌號有ZG200－400H、ZG230 －450H、ZG275 －485H、G17Mn5、G20Mn5，其中屈服強度最高的牌號為G20Mn5，屈服強度≥300 MPa，不同的材料能保證的伸長率也不同。梁柱連接節(jié)點對材料的延性要求很高，不同牌號的焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼采用精密鑄造工藝后都能達(dá)到《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011－2010)［21］中鋼材的伸長率不低于20%的規(guī)定要求，因此焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼可以用于抗震結(jié)構(gòu)。鑄鋼選材時應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征、節(jié)點形式、應(yīng)力狀態(tài)、鑄件厚度、工作環(huán)境、鑄造工藝等因素，選擇技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的鑄鋼材料。

在工藝方面，鑄鋼節(jié)點設(shè)計時應(yīng)選用合理的壁厚，設(shè)計時可參考《鑄鋼節(jié)點應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS 235:2008)［23］的表 5.0.3.1 和 5.0.3.2。鑄鋼壁厚不宜過薄，否則在生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)澆不足和冷隔缺陷。鑄鋼壁厚也不宜過厚［23］，否則生產(chǎn)時容易出現(xiàn)縮松等缺陷。鑄鋼壁厚較厚時［4］，表面與芯部冷卻速度差別較大，導(dǎo)致芯部結(jié)晶組織與力學(xué)性能明顯差別于表面部分。因而，較厚鑄件的組織性能比較薄鑄件差，其強度、伸長率、沖擊功等力學(xué)指標(biāo)亦隨壁厚的增加而降低。隨著壁厚的增加，鑄鋼節(jié)點強度并不按比例增加，鑄鋼的屈服強度等指標(biāo)反而明顯降低。

鑄鋼件的各向異性并不顯著，可以用于應(yīng)力三軸性較高的節(jié)點區(qū)。一般來說，軋制鋼材的縱向力學(xué)性能通常略高于同牌號的鑄鋼件，橫向性能則低于鑄鋼件，其平均性能基本與質(zhì)量良好的鑄鋼件大致相同。

3 新型方(矩)形鋼管柱－H形梁鑄鋼模塊化節(jié)點的性能分析

3.1 節(jié)點模型設(shè)計

按照上節(jié)提出的設(shè)計方法，同時考慮鑄鋼節(jié)點的設(shè)計依據(jù)與工藝要求，設(shè)計出一個鑄鋼模塊化節(jié)點模型作為后文數(shù)值模擬分析的對象，其構(gòu)造和尺寸如圖4所示。需要說明的是，該節(jié)點模型近似按抗震規(guī)范有關(guān)箱型截面柱的節(jié)點域屈服承載力計算后與梁的相對強弱關(guān)系為:

其中，ψ取0.7，即節(jié)點域相對梁截面較弱，可發(fā)生較大的剪切塑性變形。

圖4 鑄鋼模塊化節(jié)點尺寸Fig.4 Dimensions of cast modular joint

圖5 鑄鋼模塊化節(jié)點有限元模型圖Fig.5 FE model of cast modular joint

3.2 節(jié)點有限元分析模型

通過商用有限元分析軟件ABAQUS對采用上述方形鋼管柱－H形梁鑄鋼模塊化節(jié)點的中柱子結(jié)構(gòu)建立有限元模型(如圖5所示)，進(jìn)行模擬地震作用的平面內(nèi)單調(diào)和循環(huán)往復(fù)加載分析。子結(jié)構(gòu)模型中的鑄鋼模塊化節(jié)點與焊接H形鋼梁(H600!300!18!22)、冷成型方鋼管柱(□400!400!19)分別通過全熔透焊縫連接，梁長為6 m，柱高為4 m。單元類型采用線性六面體縮減積分單元C3D8R。鑄鋼材料的屈服強度取為300 MPa，梁、柱所用Q345鋼材的屈服強度取為345 MPa，彈性模量均為206 GPa。鑄鋼和Q345鋼均考慮2%初始剛度的強化段，強化法則為隨動強化，并考慮幾何非線性。通過梁端反對稱加載，柱上下端均為鉸接約束，不考慮柱頂軸力的影響。單調(diào)加載時直接至0.08 rad的層間位移角，循環(huán)加載時參照 AISC 抗震規(guī)范［25］的規(guī)定，但只加載至0.06 rad的層間位移角，加載制度見圖6。

為比較新型鑄鋼模塊化節(jié)點與傳統(tǒng)焊接節(jié)點的性能差異，同時也建立了2個具有相同幾何尺度的采用傳統(tǒng)焊接節(jié)點的中柱子結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行分析，其中一個模型為不設(shè)內(nèi)隔板的全焊接節(jié)點型式［26］，另一個模型為設(shè)置內(nèi)隔板的全焊接節(jié)點型式，外觀見圖7。它們與鑄鋼模塊化節(jié)點模型對應(yīng)的區(qū)域取為相同的材性。梁柱節(jié)點區(qū)的連接焊縫按抗震規(guī)范要求為全熔透對接焊縫。為簡化分析，并未在有限元模型中考慮焊縫模擬。因此，上述焊接節(jié)點模型與鑄鋼模塊化節(jié)點模型的差異主要體現(xiàn)在梁與柱的連接、內(nèi)隔板與柱的連接等幾何形狀改變處均沒有合適的弧面過渡?？紤]到傳統(tǒng)節(jié)點焊接殘余應(yīng)力與焊接熱影響區(qū)脆性對節(jié)點延性可能產(chǎn)生的不利影響以及鑄鋼模塊化節(jié)點一體化澆鑄成型工藝對連接區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)和材性的有利影響，上述簡化處理后的分析比較結(jié)果應(yīng)是偏于安全的。

圖6 循環(huán)往復(fù)加載制度Fig.6 Loading protocal of cyclic loading

圖7 傳統(tǒng)焊接節(jié)點型式Fig.7 Traditional welded connections

3.3 節(jié)點延性斷裂趨勢預(yù)測的評價指標(biāo)

為便于比較當(dāng)節(jié)點域發(fā)生較大變形時不同節(jié)點模型發(fā)生延性斷裂的趨勢和位置，引入下面2類斷裂指數(shù)作為反映延性斷裂發(fā)生傾向的評價指標(biāo)。

(1)斷裂指數(shù)RI

Hancock等［27］提出一種粗略的延性斷裂應(yīng)變的計算方法:

式中εf為延性斷裂發(fā)生時的應(yīng)變，a為材料常量，σm、σe分別為靜水壓力和Mises應(yīng)力。稱T=σm/σe為應(yīng)力三軸度。

通常采用有效塑性應(yīng)變(PEEQ)來描述關(guān)鍵部位的塑性發(fā)展?fàn)顩r，采用應(yīng)力三軸度來描述高三軸應(yīng)力狀態(tài)造成鋼材損傷的迅速累積，導(dǎo)致斷裂應(yīng)變大幅減小。為了更簡便地評估斷裂發(fā)生的傾向大小，El-Tawil等［19］提出一個與材料無關(guān)的斷裂指數(shù)RI(Rupture Index)，其值為等效塑性應(yīng)變與延性斷裂應(yīng)變的比值:

Ricles等［28］應(yīng)用RI成功地優(yōu)化了抗彎梁柱連接的焊接孔型。

(2)修正斷裂指數(shù)MRI

Chao等［29］對RI作了修正，用整個加載歷史T的最大值代替RI中的T，提出如下修正的斷裂指數(shù)MRI，其表達(dá)式為:

3.4 新型鑄鋼模塊化節(jié)點與傳統(tǒng)焊接節(jié)點抗震性能的分析結(jié)果比較

3.4.1 梁端彎矩－層間位移角曲線的比較

對鑄鋼模塊化節(jié)點和傳統(tǒng)焊接節(jié)點有限元分析得到的梁端彎矩(M)－層間位移角(θ)曲線分別如圖8和圖9所示?？梢钥闯?，有內(nèi)隔板的焊接節(jié)點無論在剛度、承載力、耗能能力方面均低于鑄鋼模塊化節(jié)點，無內(nèi)隔板的焊接節(jié)點則低于有內(nèi)隔板的焊接節(jié)點。這表明內(nèi)隔板與局部的弧面過渡都顯著的提高了節(jié)點的抗震性能。

圖8 單調(diào)加載時的梁端彎矩－層間位移角變化曲線Fig.8 Curve of beam end moment to story drift under monotonic loading

圖9 循環(huán)往復(fù)加載時的梁端彎矩－層間位移角變化曲線Fig.9 Curve of beam end moment to story drift under cyclic loading

圖11 傳統(tǒng)焊接節(jié)點可能斷裂的關(guān)鍵點Fig.11 Critical points of traditional welded connections

3.4.2 節(jié)點延性斷裂趨勢的比較

結(jié)合有限元預(yù)分析，選取了鑄鋼模塊化節(jié)點和傳統(tǒng)焊接節(jié)點的可能斷裂的關(guān)鍵點，如圖10和圖11所示。鑄鋼模塊化節(jié)點選擇5個關(guān)鍵點，傳統(tǒng)焊接節(jié)點選擇1個關(guān)鍵點。作出單調(diào)加載和循環(huán)往復(fù)加載時各關(guān)鍵點的RI－θ和MRI－θ曲線，分別如圖12和圖13所示(圖中m表示單調(diào)加載，h表示循環(huán)往復(fù)加載;N表示鑄鋼模塊化節(jié)點，TD表示有內(nèi)隔板的傳統(tǒng)焊接節(jié)點，TE表示無內(nèi)隔板的傳統(tǒng)焊接節(jié)點;數(shù)字表示點號;RI和MRI分別表示斷裂指數(shù)和修正的斷裂指數(shù))。

圖12 單調(diào)加載時的RI－θ與MRI－θ曲線Fig.12 Curve of RI－θand MRI－θunder monotonic loading

圖13 循環(huán)往復(fù)加載時的RI－θ和MRI－θ曲線Fig.13 Curve of RI－θand MRI－θunder cyclic loading

由鑄鋼模塊化節(jié)點與焊接節(jié)點單調(diào)加載時關(guān)鍵位置的RI－θ與MRI－θ曲線對比可以看出，有內(nèi)隔板和無內(nèi)隔板的焊接節(jié)點在最不利位置的RI及MRI遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鑄鋼模塊化節(jié)點，表明傳統(tǒng)焊接節(jié)點在梁端翼緣處更為容易斷裂。還可以看出，相同的RI或MRI水平時，即當(dāng)斷裂發(fā)生傾向接近時，鑄鋼模塊化節(jié)點能經(jīng)受住多倍于焊接節(jié)點的層間位移角，其延性遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)焊接節(jié)點。有內(nèi)隔板的傳統(tǒng)焊接節(jié)點往往比無內(nèi)隔板的RI及MRI小一些，說明無內(nèi)隔板的傳統(tǒng)焊接節(jié)點更容易斷裂，同時也驗證了RI及MRI預(yù)測斷裂發(fā)生傾向的可靠性。在有限元模型中，沒有考慮焊縫熱影響區(qū)的不利影響，實際上焊縫熱影響區(qū)可能使得梁端翼緣發(fā)生斷裂的傾向更大。通過對比可以得出結(jié)論，鑄鋼模塊化節(jié)點的幾何構(gòu)造能夠有效的延緩斷裂的發(fā)生。究其原因，可以總結(jié)為以下三方面:① 適當(dāng)尺度的鑄造弧面過渡是降低應(yīng)力集中程度的有效措施，同時將焊縫熱影響區(qū)以及焊接殘余應(yīng)力的影響外移出最不利受力截面;② 弧面過渡的存在提高了梁翼緣與柱翼緣連接部位的局部剛度，從而抑制了局部扭曲變形;③內(nèi)肋在傳遞梁翼緣的拉壓力時比僅依靠柱壁傳遞要直接有效的多。循環(huán)往復(fù)加載的結(jié)果與單調(diào)加載的結(jié)果一致，如圖13所示。

圖14 0.04 rad時不同節(jié)點型式的RI云圖Fig.14 RI contours of different pattern nodes at story drift of 0.04 rad

圖15 不同節(jié)點單調(diào)加載時節(jié)點域剪切變形角占層間位移角的比例Fig.15 Proportion of shear deformation angle to storydrift under monotonic loading of different connections

為了更直觀地比較RI的相對大小，作出單調(diào)加載至0.04 rad時不同節(jié)點型式的RI云圖(見圖14)，可以看出，單調(diào)加載至0.04 rad時，鑄鋼模塊化節(jié)點的最不利位置在梁端翼緣的弧面起弧處的邊緣，偏離了柱壁一段距離，而焊接節(jié)點的最不利位置都在梁端翼緣與柱壁的交接處。

3.4.3 節(jié)點耗能能力與機(jī)制的比較

研發(fā)鑄鋼模塊化節(jié)點最為重要的一個目標(biāo)是利用節(jié)點域穩(wěn)定高效的耗能能力。在不考慮斷裂因素的條件下，從節(jié)點域剪切變形和節(jié)點域耗能兩方面來評價不同節(jié)點型式的耗能能力。

節(jié)點域剪切變形角占層間位移角的比例可以用來間接地反映節(jié)點域耗能對節(jié)點總耗能的貢獻(xiàn)。圖15給出了單調(diào)加載時不同節(jié)點模型的節(jié)點域剪切變形角占總層間位移角比例的變化規(guī)律?？梢钥闯觯袃?nèi)隔板的焊接節(jié)點的節(jié)點域剪切變形角占層間位移角的比例比無內(nèi)隔板的焊接節(jié)點大，鑄鋼模塊化節(jié)點的節(jié)點域剪切變形角占層間位移角的貢獻(xiàn)比有內(nèi)隔板的焊接節(jié)點大，內(nèi)隔板和弧面過渡均能直接提高節(jié)點的剛度，把對變形的需求轉(zhuǎn)移至對節(jié)點域變形的需求。焊接節(jié)點的節(jié)點域剪切變形對層間位移角貢獻(xiàn)比較小，意味著對梁翼緣的變形需求就很高。不同節(jié)點在相同的層間位移角時，鑄鋼模塊化節(jié)點能發(fā)展足夠大的節(jié)點域剪切變形。例如層間位移角為0.03 rad時，鑄鋼模塊化節(jié)點的剪切變形對層間位移角的貢獻(xiàn)約為61%，對利用節(jié)點域剪切塑性變形耗能來說是相當(dāng)可觀的。

現(xiàn)在直接考察不同節(jié)點在不同加載水平下的節(jié)點總耗能及節(jié)點域耗能(這里的加載水平是指加載至某一層間位移角對應(yīng)的圈數(shù)結(jié)束)。不同加載水平下的節(jié)點域耗能占總耗能的比例如圖16所示，可以看出，在節(jié)點域幾乎處于彈性階段時，對于鑄鋼模塊化節(jié)點，梁連接區(qū)端部先進(jìn)入塑性，其節(jié)點域耗能占總耗能的比例較小，節(jié)點域開始進(jìn)入塑性之后，節(jié)點域耗能占總耗能的94%以上;對于有內(nèi)隔板的焊接節(jié)點，節(jié)點域耗能占總耗能的40%～50%，隨著循環(huán)往復(fù)加載圈數(shù)的增加，節(jié)點域耗能比例逐漸減小;對于無內(nèi)隔板的焊接節(jié)點，節(jié)點域耗能占總耗能的比例低于20%，隨著循環(huán)往復(fù)加載圈數(shù)的增加，節(jié)點域耗能比例逐漸增加。

不同節(jié)點在不同加載水平下的節(jié)點總耗能如圖17所示，可以看出，有內(nèi)隔板的焊接節(jié)點的節(jié)點總耗能略低于鑄鋼模塊化節(jié)點，無內(nèi)隔板的焊接節(jié)點的節(jié)點總耗能明顯低于其他兩類節(jié)點。加載至0.01 rad對應(yīng)的圈數(shù)結(jié)束時，無內(nèi)隔板的焊接節(jié)點總耗能為26.9 kJ，有內(nèi)隔板的焊接節(jié)點總耗能為12.4 kJ，鑄鋼模塊化節(jié)點的總耗能為6.5 kJ，說明在較低層間位移角的情況下，無內(nèi)隔板的焊接節(jié)點在梁端發(fā)展塑性比有內(nèi)隔板的焊接節(jié)點大，有內(nèi)隔板的焊接節(jié)點在梁端發(fā)展塑性比鑄鋼模塊化節(jié)點大，傳統(tǒng)焊接節(jié)點對梁端的塑性變形需求大于鑄鋼模塊化節(jié)點。

圖16 不同加載水平下的節(jié)點域耗能占總耗能的比例Fig.16 Proportion of panel zone energy dissipation to total energy dissipation under different loading levels

圖17 不同加載水平下的節(jié)點總耗能圖Fig.17 Total energy dissipation under different loading levels

圖18 不同加載水平下的節(jié)點域耗能圖Fig.18 Panel zone energy dissipation under different loading levels

不同節(jié)點在不同加載水平下的節(jié)點域耗能如圖18所示，可以看出，相同的加載水平之下，鑄鋼模塊化節(jié)點的節(jié)點域耗能遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)焊接節(jié)點，節(jié)點域的穩(wěn)定耗能得到充分利用。

節(jié)點域的剪切塑性變形模式的耗能特點可以從節(jié)點域剪力－剪切變形角變化曲線看出，如圖19所示，節(jié)點域剪力－剪切變形角的滯回曲線飽滿且穩(wěn)定，節(jié)點域在屈服后仍有很高的富余強度。其中鑄鋼模塊化節(jié)點的節(jié)點域剪力－剪切變形角滯回曲線最為飽滿，發(fā)展了很大的剪切變形。

圖19 節(jié)點域剪力－剪切變形角變化曲線Fig.19 Curve of panel zone shear to shear deformation

圖20 不同節(jié)點單調(diào)加載至θ=0.04 rad時的塑性區(qū)域大小及變形模式圖Fig.20 Plastic region size and deformation modes of different connections at 0.04 rad story drift under monotonic loading

3.4.4 節(jié)點塑性變形模式的比較

不考慮斷裂的情況下，不同節(jié)點單調(diào)加載至θ=0.04 rad時的塑性區(qū)域大小及變形模式如圖20所示(變形放大至5倍)，黑色區(qū)域表示進(jìn)入塑性的區(qū)域，顏色愈深，表示Mises應(yīng)力愈大。可以看出，鑄鋼模塊化節(jié)點進(jìn)入塑性的區(qū)域比焊接節(jié)點大，表明鑄鋼模塊化節(jié)點耗能更加充分。有內(nèi)隔板的焊接節(jié)點和無內(nèi)隔板的焊接節(jié)點的塑性集中在梁端翼緣，顯然對梁端翼緣的變形能力提出了比鑄鋼模塊化節(jié)點更高的需求。鑄鋼模塊化節(jié)點的柱壁變形比焊接節(jié)點小，在柱壁與梁翼緣交接處的曲率比焊接節(jié)點小，有內(nèi)隔板的焊接節(jié)點在柱壁與梁翼緣交接處的曲率比無內(nèi)隔板的焊接節(jié)點小，內(nèi)隔板和弧面過渡均對抑制柱壁的彎折發(fā)揮了重要的作用。

4 結(jié)論

本文提出了一種節(jié)點域、梁端、柱端一體化澆鑄的新型方(矩)形鋼管柱－H形梁鑄鋼模塊化節(jié)點及其設(shè)計方法。該節(jié)點的優(yōu)勢體現(xiàn)在:

(1)可以實現(xiàn)對節(jié)點域最優(yōu)耗能時序的精確控制，進(jìn)而在不損失延性的情況下充分發(fā)揮抗震鋼結(jié)構(gòu)體系的耗能能力;

(2)抗震性能優(yōu)于傳統(tǒng)焊接節(jié)點，體現(xiàn)在剛度、承載力、延性和耗能能力等各個方面，能適用于對延性和耗能能力要求較高的抗震鋼結(jié)構(gòu);

(3)傳力路線明確，造型美觀，并有利于工業(yè)化建造。

鑄鋼模塊化節(jié)點的設(shè)計概念同樣適用于由其他截面構(gòu)件連接的框架節(jié)點，如圓鋼管柱－H形梁連接、H形梁柱連接、橢圓形鋼管柱－H形梁連接等，因而具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

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