翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)空間鋼框架在低周反復(fù)荷載作用下的抗震性能

鄭宏+孟春輝+石丹

摘要：為研究翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)空間鋼框架在低周反復(fù)荷載作用下的抗震性能，采用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)普通節(jié)點(diǎn)和翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)的空間鋼框架模型進(jìn)行有限元模擬，對(duì)2種鋼框架模型的破壞形式、承載力、滯回性能、耗能能力、強(qiáng)度及剛度退化性能等進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)可使梁端塑性鉸外移至梁端翼緣削弱處，避免梁端焊縫處應(yīng)力集中導(dǎo)致脆性破壞；翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)等效粘滯阻尼系數(shù)與普通節(jié)點(diǎn)空間鋼框架相比有明顯的提高，進(jìn)入屈服階段后由于應(yīng)力重分布，其剛度及承載力退化速度較普通節(jié)點(diǎn)空間鋼框架慢，翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)鋼框架具有梁鉸延性破壞機(jī)制，抗震性能較好。

關(guān)鍵詞：翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)；空間鋼框架；有限元分析；塑性鉸；滯回性能；抗震性能

中圖分類號(hào)：TU323.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： In order to study seismic performance of reduced beam section connection steel frames under lowcyclic loading， finite element simulation analysis of space steel frames with common connections or reduced beam section connections were carried out using ABAQUS software. Based on the finite element simulation analysis results， the failure mode， bearing capacity， hysteretic behavior， energy dissipation capacity， strength and stiffness degradation of the two types of steel frames were compared. The results show that the reduced beam section connection can let the plastic hinge of beam end move outward to beam end flange weakened， and avoid welded connection brittle fracture induced by stress concentration. The equivalent viscous damping ratio of reduced beam section connection steel frame is obviously greater than common connection steel frame. When the steel frames enter the yield stage， the stiffness and bearing capacity degradation of reduced beam section connection steel frame is slower than common connection steel frame. The reduced beam section connection steel frame has beam hinge ductility failure mechanism， and the seismic performance is better.

Key words： reduced beam section connection； space steel frame； finite element analysis； plastic hinge； hysteretic behavior； seismic performance

0引言

鋼結(jié)構(gòu)具有造型美觀、施工速度快、抗震性能突出、節(jié)能可再生等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為大型公共建筑、高層和超高層建筑、工業(yè)建筑的主要結(jié)構(gòu)形式。在1994年美國(guó)北嶺地震和1995年日本阪神大地震中，被認(rèn)為具有優(yōu)良延性的鋼框架結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴(yán)重的脆斷破壞，鋼材的良好延性并沒有表現(xiàn)出來，地震調(diào)查數(shù)據(jù)表明破壞主要是梁根部翼緣坡口焊縫出現(xiàn)應(yīng)力集中以及梁柱連接焊縫質(zhì)量缺陷造成的[14]，震后鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)問題成為研究熱點(diǎn)[5]。為了保證塑性耗能發(fā)展之前梁柱連接焊縫處不發(fā)生破壞，應(yīng)避免鋼框架塑性鉸出現(xiàn)在受力復(fù)雜及應(yīng)力集中的連接焊縫處，提高其抗震性能。各國(guó)大量研究表明，目前有節(jié)點(diǎn)削弱型和節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)型2種類型能夠?qū)崿F(xiàn)鋼框架塑性鉸轉(zhuǎn)移，前者是離開梁柱焊縫區(qū)域一定距離對(duì)梁截面進(jìn)行適當(dāng)削弱，后者是對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)，兩者均可形成梁鉸延性破壞機(jī)制，達(dá)到“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)要求，充分發(fā)揮了鋼材的塑性承載力和延性性能，有效提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。目前各國(guó)學(xué)者的研究工作主要集中在加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)和削弱型節(jié)點(diǎn)的外移機(jī)理上，而對(duì)鋼框架在低周反復(fù)荷載作用下整體結(jié)構(gòu)的抗震性能及破壞機(jī)理研究較少。本文在翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)抗震性能研究的基礎(chǔ)上[68]，采用ABAQUS有限元軟件，建立三維空間普通節(jié)點(diǎn)鋼框架（Ordinary Node Steel Frame，OSF）有限元模型和翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)空間鋼框架（Reduced Beam Node Steel Frame，RSF）有限元模型，研究梁翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)空間鋼框架模型在低周反復(fù)荷載作用下的破壞形式、承載力、滯回性能、變形能力、耗能能力、強(qiáng)度及剛度退化等抗震性能，并將兩者進(jìn)行對(duì)比，所得結(jié)論可為工程應(yīng)用提供參考。

1有限元建模及加載制度

1.1空間鋼框架幾何參數(shù)

為了確定空間鋼框架的基本幾何尺寸，先采用PKPM軟件對(duì)十層空間鋼框架進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)鋼框架的跨度、柱距和層高均采用工程常用尺寸，其中樓面荷載設(shè)計(jì)值取6 kN·m-2，基本風(fēng)壓為0.5 kN·m-2，Ⅱ類場(chǎng)地土，設(shè)防烈度為8度，抗震等級(jí)為2級(jí)，水平地震影響系數(shù)最大值為0.16，罕遇地震影響系數(shù)最大值為0.9，阻尼比為0.02。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）選定基本空間鋼結(jié)構(gòu)梁、柱截面尺寸分別為450 mm×200 mm×8 mm×14 mm和400 mm×400 mm×12 mm×20 mm，所用鋼材均為Q235鋼；根據(jù)文獻(xiàn)[9]取削弱長(zhǎng)度b=0.5bf，削弱深度c=0.75h，其中，bf為梁的翼緣寬度，h為梁的高度。按照SAC的推薦標(biāo)準(zhǔn)，削弱起始點(diǎn)至柱面的距離a=（0.20～0.25）bf，b=（0.5～0.75）bf，c=（0.65～0.85）h。鋼框架幾何參數(shù)如表1所示。

1.3邊界條件及加載方法

在空間鋼框架建模中，沿主梁軸線方向?yàn)閤軸，沿次梁軸線方向?yàn)閥軸，沿柱軸線方向?yàn)閦軸。為了防止加載處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，將2層加載端柱翼緣上的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行x方向耦合。為了防止主梁在加載過程中過早發(fā)生平面外失穩(wěn)，對(duì)主梁上翼緣1/3跨度處施加x方向的位移約束，以模擬次梁對(duì)主梁的約束。為了模擬鋼柱腳固定支座，將柱底端面全部約束，如圖3所示。空間鋼框架需考慮重力的二階效應(yīng)影響，加載制度參考ECCS相關(guān)方法[12]。采用通用屈服彎矩法[13]得到普通節(jié)點(diǎn)和翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)2種空間鋼框架的屈服位移分別為30，25 mm。具體加載方法如表2所示。

由RSF的應(yīng)力云圖可以看出：鋼框架在循環(huán)加載至2δy時(shí)，1，2層梁翼緣削弱處應(yīng)力增加較快，梁端與柱翼緣連接焊縫處應(yīng)力較小，為180 MPa；循環(huán)加載至4δy時(shí)，在遠(yuǎn)離加載端的2層梁翼緣削弱處腹板出現(xiàn)局部鼓曲，1，2層梁端與柱翼緣連接焊縫處應(yīng)力較小，梁截面應(yīng)力逐漸向跨中發(fā)展，應(yīng)力增大；在循環(huán)加載至5δy時(shí)，1，2層梁端都發(fā)生了較大塑性變形，柱腳翼緣出現(xiàn)了局部鼓曲現(xiàn)象，梁端、柱腳也緩慢形成塑性鉸，此時(shí)鋼框架承載力下降至其最大承載力的85%，認(rèn)為鋼框架已破壞。

由上述可知：RSF應(yīng)力發(fā)展依次為削弱處、節(jié)點(diǎn)域、柱腳；在結(jié)構(gòu)承載力下降階段，主要通過梁的彎曲變形和柱腳屈曲耗能；在整個(gè)加載過程中，梁翼緣與腹板連接的焊縫處應(yīng)力較小，相比普通框架而言，實(shí)現(xiàn)了塑性鉸的轉(zhuǎn)移，防止鋼框架出現(xiàn)脆性破壞。

2.2滯回性能及骨架曲線

滯回曲線是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗震性能的主要依據(jù)之一，滯回曲線越飽滿，表示試件耗散地震能量的能力越好，抗震性能越強(qiáng)。循環(huán)荷載作用下空間鋼框架的荷載位移滯回曲線如圖6所示。圖7為OSF和RSF骨架曲線對(duì)比。

由圖6可知：循環(huán)荷載作用下普通節(jié)點(diǎn)鋼框架和翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)鋼框架的滯回曲線均較飽滿，體現(xiàn)了抗彎鋼框架本身具有較好的抗震耗能能力；在彈性階段，2種鋼框架的滯回曲線基本趨勢(shì)一致，說明此時(shí)鋼框架的抗震耗能基本接近；加載到彈塑性受力階段之后，翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)鋼框架的滯回面積與普通節(jié)點(diǎn)鋼框架基本相當(dāng)；當(dāng)進(jìn)入塑性破壞階段時(shí)，翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)鋼框架滯回曲線最大值比普通節(jié)點(diǎn)鋼框架下降快；總體來看，普通節(jié)點(diǎn)鋼框架的滯回面積更大，滯回性能更好。

由圖7知，循環(huán)荷載作用下2種鋼框架都經(jīng)歷了彈性、彈塑性、塑性、破壞4個(gè)階段。在彈性階段2種鋼框架的骨架曲線吻合較好，但進(jìn)入彈塑性及塑性受力階段，翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)鋼框架的骨架曲線略低于普通節(jié)點(diǎn)鋼框架，翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)鋼框架表現(xiàn)出較好的延性性能。

表3為鋼框架承載力對(duì)比。由表3可知，2種鋼框架彈性承載力基本相同，但是翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)鋼框架的屈服承載力和極限承載力較普通節(jié)點(diǎn)鋼框架分別降低了4.5%和16.3%，說明翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)鋼框架可以降低承載力，實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的抗震設(shè)計(jì)要求。翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)鋼框架承載力較普通節(jié)點(diǎn)鋼框架低，加載過程中削弱梁端腹板易發(fā)生局部鼓曲，應(yīng)在腹板處設(shè)置加勁肋，防止削弱梁端過早發(fā)生局部鼓曲。

2.4剛度退化分析

剛度退化是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)。等效剛度是各鋼框架結(jié)構(gòu)模型滯回曲線中坐標(biāo)原點(diǎn)與各條循環(huán)曲線峰值點(diǎn)連線的斜率。等效剛度退化系數(shù)是衡量剛度退化的重要參數(shù)，鋼框架等效剛度退化系數(shù)即等效剛度與最大剛度的比值。圖9為普通節(jié)點(diǎn)鋼框架及翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)鋼框架有限元計(jì)算模型的剛度退化曲線。由圖9可以看出，2種鋼框架有限元模型的退化規(guī)律相似，退化曲線分布呈現(xiàn)“幾”字形，等效剛度退化系數(shù)基本對(duì)稱。處于彈性工作階段時(shí)，模型剛度基本保持不變，承載力增加；進(jìn)入塑性階段時(shí)，剛度退化曲線開始緩慢下降。

2.5斷裂能力

各國(guó)重大震害調(diào)查數(shù)據(jù)表明，鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)在地震荷載作用下易發(fā)生脆性斷裂，特別是承受反復(fù)荷載作用下的鋼框架結(jié)構(gòu)，通常存在不同程度的缺陷和疲勞損傷，內(nèi)部的微小缺陷在荷載和侵蝕環(huán)境作用下易過早斷裂導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)脆性破壞，所以需要研究彈塑性階段應(yīng)力較大處焊縫的開裂情況。根據(jù)開裂指數(shù)RI[14]可判斷在循環(huán)荷載作用下鋼材是否斷裂，RI反映結(jié)構(gòu)開裂能力的大小，因此選取在彈塑性階段路徑處的開裂指數(shù)來衡量框架斷裂能力。由圖10可知，OSF梁柱連接焊縫中部RI最大，其值為12，而RSF梁柱相應(yīng)的焊縫位置處RI為0。參考文獻(xiàn)[15]結(jié)論，當(dāng)RI大于20時(shí)容易發(fā)生斷裂，所以O(shè)SF梁柱在彈塑性階段的累積下焊縫不易發(fā)生脆性斷裂，而RSF翼緣削弱的設(shè)計(jì)在一定程度上正好可以降低梁柱焊縫出現(xiàn)斷裂的可能性，防止焊縫過早出現(xiàn)脆性破壞而導(dǎo)致承載力嚴(yán)重降低。

3結(jié)語

（1）通過空間鋼框架有限元模擬分析，發(fā)現(xiàn)翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)可使梁端塑性鉸出現(xiàn)在翼緣削弱處，避免先在柱腳形成塑性鉸，達(dá)到了“強(qiáng)柱弱梁”的抗震設(shè)計(jì)要求。

（2）在彈塑性和塑性階段，削弱型節(jié)點(diǎn)翼緣削弱處腹板過早屈曲，導(dǎo)致其承載力和普通節(jié)點(diǎn)鋼框架相比明顯降低，但翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)耗能能力高于普通節(jié)點(diǎn)鋼框架。在實(shí)際工程應(yīng)用過程中，如果使用翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)應(yīng)采取措施（比如適當(dāng)?shù)卦O(shè)置加勁肋）抑制翼緣削弱處腹板過早屈服，在實(shí)現(xiàn)塑性鉸轉(zhuǎn)移的同時(shí)提高其承載力。

（3）2種空間鋼框架的剛度退化曲線趨勢(shì)基本一致，屈服階段后翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)鋼框架的負(fù)向強(qiáng)度退化速度大于普通節(jié)點(diǎn)鋼框架，但相差不大，建議在中強(qiáng)震地區(qū)使用翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)鋼框架。

（4）在彈塑性階段初期，由于塑性累積作用不明顯，2種節(jié)點(diǎn)空間鋼框架梁柱翼緣焊縫不易發(fā)生開裂，并且翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)鋼框架梁柱連接焊縫處的開裂指數(shù)較普通節(jié)點(diǎn)鋼框架要小，可以有效避免鋼框架脆性開裂，導(dǎo)致鋼框架承載能力的降低。

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