梁腹板局部削弱新型鋼節(jié)點(diǎn)抗震性能研究

鄭 宏， 劉二浩

(長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710061)

梁腹板局部削弱新型鋼節(jié)點(diǎn)抗震性能研究

鄭 宏， 劉二浩

(長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710061)

介紹了一種在梁腹板局部采用等肢角鋼拼接形成的折形腹板梁端截面削弱型梁柱節(jié)點(diǎn)。利用有限元軟件ANSYS14.0分析了削弱區(qū)距柱翼緣距離、角鋼厚度和角鋼肢長對(duì)新型節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。研究結(jié)果表明：新型截面局部削弱節(jié)點(diǎn)與傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)連接承載力相差不大，并且塑性鉸形成的位置均在折形腹板所對(duì)應(yīng)的梁上下翼緣處，從而達(dá)到使塑性鉸外移的目的。而削弱區(qū)距柱翼緣距離、角鋼厚度和角鋼肢長對(duì)新型節(jié)點(diǎn)抗震性能影響很小。

梁柱節(jié)點(diǎn)；局部削弱；等肢角鋼；塑性鉸；抗震性能

0 引言

在1994年美國北嶺地震之前，大量的抗彎框架采用焊接連接形式。然而，在北嶺地震中這種連接方式在梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域發(fā)生了大量的脆性斷裂。之后，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此類節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，提出了一系列改進(jìn)型鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點(diǎn)形式。其中，對(duì)梁截面進(jìn)行局部削弱，使塑性鉸從節(jié)點(diǎn)區(qū)外移是改進(jìn)節(jié)點(diǎn)的主要措施之一[1-3]。

傳統(tǒng)的梁截面局部削弱型節(jié)點(diǎn)在減小了塑性抗彎能力的同時(shí)，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)梁的平面外剛度也相應(yīng)的減小。平面外剛度的減小會(huì)增加截面橫向扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)。根據(jù)Naeim[4]研究，傳統(tǒng)梁截面削弱型節(jié)點(diǎn)連接，首先是梁腹板發(fā)生局部屈曲，其次是腹板發(fā)生橫向扭轉(zhuǎn)屈曲，最后是梁翼緣處發(fā)生局部屈曲。針對(duì)傳統(tǒng)削弱型節(jié)點(diǎn)的缺點(diǎn)，Mirghaderi S.R et al[5]提出了一種在梁預(yù)期形成塑性鉸位置用折線形腹板代替梁原平面腹板的新型梁截面削弱節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。由于角鋼拼接成的折線形腹板具有較大的平面外剛度，從而提高了梁腹板穩(wěn)定的條件，并且梁翼緣寬厚比的減小增強(qiáng)了梁翼緣的局部穩(wěn)定性。

圖1 新型削弱鋼節(jié)點(diǎn)

1 有限元分析方法及驗(yàn)證

Mirghaderi S.R et al[5]進(jìn)行了這種新型梁截面削弱節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了兩組試驗(yàn)試件。試件2采用箱型截面柱，尺寸為200 mm×160 mm×10mm，柱高為2 150 mm，梁采用IPE180(180 mm×91 mm×5.3 mm×8 mm)梁長為1 645 mm，梁柱節(jié)點(diǎn)與柱加勁肋采用全熔透焊接連接，折形腹板采用兩個(gè)等肢熱軋角鋼拼接形成。

對(duì)試件2進(jìn)行模擬驗(yàn)證。模型的梁、柱、加勁板和折形腹板均采用Shell181單元，模型的焊接部分均使用AGLUE命令。構(gòu)件的彈性模量取E=203 GPa，泊松比為v=0.3，塑性模量取彈性模量的0.03倍，材料的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度均采用試驗(yàn)值。材料本構(gòu)關(guān)系采用隨動(dòng)強(qiáng)化模型(KINH)。屈服準(zhǔn)則采用Mises準(zhǔn)則。模型的加載機(jī)制與試驗(yàn)加載機(jī)制相同。圖2給出了試件2在循環(huán)荷載作用下的試驗(yàn)滯回曲線與有限元模擬滯回曲線，從圖4中可以看出，兩者基本吻合。結(jié)果表明利用ANSYS軟件模擬該新型削弱節(jié)點(diǎn)的滯回性能是可行的。

圖2 有限元與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

2 節(jié)點(diǎn)試件的設(shè)計(jì)

在文獻(xiàn)[6]梁柱連接節(jié)點(diǎn)試件的基礎(chǔ)上，共設(shè)計(jì)了7個(gè)新型削弱型梁截面試件。分別反映削弱位置距離柱翼緣距離d變化的試件、等肢角鋼厚度t變化的試件和等肢角鋼肢長l變化的試件。各試件的具體參數(shù)取值如表1所示。為了進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)在試驗(yàn)試件的基礎(chǔ)上還設(shè)計(jì)了一個(gè)構(gòu)件尺寸相同的傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)試件(BASE)。

表1 節(jié)點(diǎn)參數(shù)與編號(hào) mm

注：BASE指傳統(tǒng)梁柱連接節(jié)點(diǎn)；AW-RBS是英文Accordion-Web Reduced Beam Section的簡稱代表新型削弱節(jié)點(diǎn)。

3 節(jié)點(diǎn)試件加載機(jī)制

加載方式為循環(huán)加載，加載點(diǎn)設(shè)置在梁懸臂端，柱頂、柱底均采用固接。傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)和新型節(jié)點(diǎn)的有限元模型如圖3所示。加載過程所施加的初始位移為屈服位移的20%，每次每級(jí)位移增量約為20%，屈服前每級(jí)荷載循環(huán)1次；在試件屈服后，分別施加2、3、4、5倍屈服位移，每級(jí)循環(huán)2次[7]。加載的最大幅值為90 mm，梁端轉(zhuǎn)角已達(dá)到0.06 rad。

圖3 傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)與新型節(jié)點(diǎn)有限元模型

4 有限元結(jié)果分析

現(xiàn)主要從各個(gè)試件的滯回曲線、剛度退化曲線及骨架曲線等來分析各試件的抗震性能。試件的剛度可采用同一荷載下(開裂或屈服后為同一位移)的第一循環(huán)滯回環(huán)頂點(diǎn)割線剛度來表示[8]

(1)

式中，F(xiàn)i表示第i次峰點(diǎn)荷載值；Xi表示第i次峰點(diǎn)位移值。

4.1 等肢角鋼肢長的影響

根據(jù)有限元軟件計(jì)算結(jié)果可以得出參數(shù)l變化系列試件和傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)試件(BASE)的滯回曲線、骨架曲線和剛度退化曲線如圖4所示。從圖中可以看出各個(gè)試件的滯回曲線均飽滿無捏攏現(xiàn)象，其中試件AW-RBS-l1在最后的加載步中出現(xiàn)下降段，其產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是角鋼肢長減小使梁的翼緣出現(xiàn)局部屈曲。對(duì)比各個(gè)試件的骨架曲線看出：新型削弱節(jié)點(diǎn)承載力較傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)最大降低了4.68%；等肢角鋼肢長l對(duì)新型節(jié)點(diǎn)試件的骨架曲線沒有影響；各新型節(jié)點(diǎn)試件的初始剛度較傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)最大降低了1.45%，并且新型節(jié)點(diǎn)試件剛度退化比傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)快；等肢角鋼肢長l對(duì)新型節(jié)點(diǎn)試件的剛度退化曲線沒有影響。

圖4 各試件滯回曲線、骨架曲線和剛度退化曲線

4.2 等肢角鋼厚度t的影響

等肢角鋼厚度t變化系列試件和傳統(tǒng)試件的滯回曲線以及骨架曲線分別如圖5所示。從圖中可以看出各個(gè)試件的滯回曲線均飽滿無捏攏現(xiàn)象。從骨架曲線中可以看出，新型削弱節(jié)點(diǎn)的承載力與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)試件相比最大下降了5.81%。并且隨著等肢角鋼厚度t的增加其承載能力有所提高。從剛度退化曲線中可以看出各新型削弱節(jié)點(diǎn)較傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)下降快，隨著等肢角鋼的厚度t的增加其剛度退化曲線下降得越快。

圖5 各試件滯回曲線、骨架曲線和剛度退化曲線

4.3 削弱位置與柱翼緣距離d的影響

削弱位置與柱翼緣距離d變化系列試件和傳統(tǒng)試件的滯回曲線以及骨架曲線分別如圖6所示。從圖6中可以看出，各個(gè)試件的滯回曲線均飽滿無捏攏現(xiàn)象。從骨架曲線中可以看出新型削弱節(jié)點(diǎn)的承載力與傳統(tǒng)的試件相比均有所下降，最大為4.70%。從剛度退化曲線中可以看出各新型削弱節(jié)點(diǎn)較傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)下降快，隨著削弱位置的增大對(duì)其剛度退化影響越小。

圖6 各試件滯回曲線、骨架曲線和剛度退化曲線

4.4 新型梁截面削弱節(jié)點(diǎn)試件與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)試件的塑性鉸位置

通過有限軟件ANSYS中Von Mises plastic strain顯示功能觀察各個(gè)節(jié)點(diǎn)試件是否使塑性鉸外移。各個(gè)節(jié)點(diǎn)試件與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)試件(BASE)的塑性鉸云圖如圖7所示?？梢悦黠@的看出：傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)試件的梁柱連接處應(yīng)力最大，節(jié)點(diǎn)的塑性鉸在梁柱連接處產(chǎn)生。而新型梁截面削弱節(jié)點(diǎn)試件的塑性鉸均在角鋼拼接形成的折形腹板所對(duì)應(yīng)的梁上下翼緣處。根據(jù)云圖結(jié)果可知，新型梁截面削弱節(jié)點(diǎn)試件承載能力變化不大，迫使節(jié)點(diǎn)塑性鉸外移至折形腹板對(duì)應(yīng)梁翼緣處，進(jìn)而使梁柱連接處得到保護(hù)，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)準(zhǔn)則。

圖7 各試件的塑性鉸云圖

5 結(jié)語

(1) 從總體上看新型梁截面削弱型節(jié)點(diǎn)試件與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)試件的滯回曲線均飽滿，表現(xiàn)出良好的滯回性能。并且新型梁截面削弱型節(jié)點(diǎn)試件與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)試件相比，兩者極限承載力相差不大，并且各新型節(jié)點(diǎn)試件都能夠迫使塑性鉸遠(yuǎn)離脆弱的節(jié)點(diǎn)區(qū)而出現(xiàn)在折線形腹板對(duì)應(yīng)的梁上下翼緣處。

(2) 等肢角鋼肢長l、等肢角鋼厚度t和削弱位置d對(duì)各系列新型削弱節(jié)點(diǎn)試件的承載力影響不大，最大降低了5.81%。各系列新型削弱節(jié)點(diǎn)試件的初始剛度較傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)試件最大降低了1.77%，兩者相差不大。在轉(zhuǎn)角達(dá)到0.013 rad之后，各系列新型削弱節(jié)點(diǎn)試件的剛度退化較傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)試件快。

(3) 此新型梁截面削弱型節(jié)點(diǎn)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的梁腹板開孔和梁翼緣狗骨式削弱節(jié)點(diǎn)形式，在不影響構(gòu)件承載能力的前提下，可以將梁端塑性鉸內(nèi)移，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)準(zhǔn)則。

[1]毛劍，鄭宏.安裝阻尼器的削弱型梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)抗震性能分析[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2014,16(1)： 15-22.

[2]Chen S J, Tsao Y C, Chao Y C.Enhancement of ductility of existing seismic moment connections [J].Journal of Structural Engineering,2001,127(5):538-545.

[3]Kim T , Whittaker A S , Gilani A S , et al . Experimental evaluation of plate-reinforced steel moment-resisting connections[J].Journal of Structural Engineering,2002,128(4):483-491.

[4]Naeim F.The seismic design handbook[M].2nd ed.Wilmington:Kluwer Academic Publishers，2001:418.

[5]Mirghaderi S R,Torabian S,Imanpour A.Seismic performance of the Accordion-Web RBS connection[J].Journal of Constructional Steel Research,2010,66:277-288.

[6]楊應(yīng)華，師夢(mèng)塵.翼緣削弱型端板連接節(jié)點(diǎn)抗震性能分析[J].地震工程與工程振動(dòng)，2015,35(2)：157-165.

[7]中國建筑科學(xué)研究院.JGJ 101-96建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[8]毛劍.安裝阻尼器的弱梁剛性連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究[D].西安：長安大學(xué)，2013.

Research on Seismic Performance of New Steel Joints Weakened with Beam Web

Zheng Hong, Liu Erhao

(School of Civil Engineering，Chang’an University，Xi’an 710061，China)

This paper introduces a new type of Reduced Beam Section connection,“Accordion Web RBS”，is presented in this research.The AW-RBS decreases the web contribution in moment strength and a reduced section is developed in the beam.In the proposed connection,the beam section is reduced using corrugated plates instead of a plat web at the expected location of the beam’s plastic hinge.Using ANSYS14.0 FE analysis is made of the influence of the distance of the weakening region from the column’s flange,angle thickness and the leg length of angle on the performance of new seismic joint. The results show that:there is no big difference between the new type of Reduced Beam Section connection and the traditional beam to column connection, and the position of plastic hinge formed in the shape of the upper and lower flange of the corresponding beam, achieving the purpose of plastic hinge removed away from the column’s flange face; and the distance of column flange from the weakening region, angle thickness and angle of leg length has little effect on the properties of the new reduced beam section connection.

beam to column connection;local weakening;equal leg angle;plastic hinge;seismic performance

2015-12-16 責(zé)任編輯:車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.01.05

鄭宏(1964-)，男，教授，主要從事鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件在循環(huán)荷載作用下的滯回性能分析及抗震設(shè)計(jì)研究。E-mail:cehzheng@chd.edu.cn

TU39

A

2095-0373(2017)01-0025-06

鄭宏，劉二浩.梁腹板局部削弱新型鋼節(jié)點(diǎn)抗震性能研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,30(1):25-30.