腹板開孔型節(jié)點空間鋼框架在低周反復荷載作用下的抗震性能研究

石 丹， 孟春輝

(長安大學 建筑工程學院，陜西 西安 710061)

腹板開孔型節(jié)點空間鋼框架在低周反復荷載作用下的抗震性能研究

石 丹， 孟春輝

(長安大學 建筑工程學院，陜西 西安 710061)

采用ABAQUS有限元分析軟件對普通節(jié)點和腹板開孔型節(jié)點兩種不同的節(jié)點形式建立三維的空間鋼框架模型，進行有限元的模擬。對比分析了兩種鋼框架模型的破壞形式、承載力、滯回性能 、耗能能力、強度及剛度退化性能。研究表明，腹板開孔型節(jié)點可使梁端塑性鉸外移至梁端腹板開孔處，避免梁端焊縫處應力集中導致發(fā)生脆性破壞，增加了結(jié)構(gòu)延性，但同時會降低結(jié)構(gòu)承載能力；腹板開孔型節(jié)點等效粘滯阻尼系數(shù)與普通鋼框架相比有明顯的提高，進入屈服階段后由于應力重分布，其剛度及承載力退化速度較普通節(jié)點鋼框架較慢，腹板開孔型節(jié)點鋼框架具有梁鉸延性破壞機制，抗震性能較好。研究內(nèi)容可為腹板開孔型節(jié)點在空間鋼框架的應用和理論分析提供參考。

腹板開孔型節(jié)點；空間鋼框架；ABAQUS；塑性鉸外移；滯回性能；抗震性能

0 引言

在1994年美國北嶺地震和1995年日本阪神大地震中，被認為具有優(yōu)良延性的鋼框架結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴重的脆斷現(xiàn)象，鋼材的良好的延性并沒有表現(xiàn)出來，調(diào)查表明破壞的主要原因是由于梁根部翼緣坡口焊縫出現(xiàn)應力集中以及梁柱連接焊縫質(zhì)量缺陷造成的[1-4]。焊接節(jié)點鋼結(jié)構(gòu)在強震作用下易發(fā)生脆性破壞[5]，震后鋼框架梁柱節(jié)點問題成為研究熱點[6]。國內(nèi)外學者大量研究表明，目前有削弱型節(jié)點和加強型節(jié)點兩種類型能夠?qū)崿F(xiàn)塑性鉸轉(zhuǎn)移，前者是離開梁柱焊縫區(qū)域一定距離對梁截面進行適當削弱，后者是對節(jié)點區(qū)域進行加強，兩者均可形成梁鉸破壞機制，達到“強柱弱梁，強節(jié)點弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計要求，充分發(fā)揮了鋼材的塑性承載力和延性性能，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。然而國內(nèi)外學者的研究工作主要集中在加強型和削弱型節(jié)點的外移機理的研究，而對鋼框架在低周反復荷載作用下整體結(jié)構(gòu)的抗震性能及破壞機理上研究較少。本文在削弱型節(jié)點的抗震性能研究基礎(chǔ)上[7-9]，采用ABAQUS有限元軟件，建立三維空間普通鋼框架節(jié)點有限元模型(Ordinary Node Steel Frame,以下簡稱OSF)和空間腹板開孔型節(jié)點鋼框架(Opening on beam websconnection Steel Frame ,以下簡稱OWF)有限元模型，研究梁腹板開孔型節(jié)點和普通節(jié)點空間鋼框架模型在低周反復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、強度及剛度退化等抗震性能。

1 有限元建模及加載制度

1.1 空間鋼框架幾何參數(shù)

為確定鋼框架的基本尺寸，采用PKPM軟件設(shè)計十層鋼框架。框架的跨度、柱距和層高均采用工程常用尺寸。樓面荷載設(shè)計值取6 kN/m2,基本風壓為0.5 kN/m2，Ⅱ類場地土，設(shè)防烈度為8度，抗震等級為2級，水平地震影響系數(shù)最大值α=0.16g，罕遇地震影響系數(shù)最大值α=0.9g，多遇地震下的計算阻尼比取0.04，罕遇地震下的彈塑性分析，阻尼比為0.05。根據(jù)分析結(jié)果按照《建筑抗震設(shè)計技術(shù)規(guī)范(GB50011—2010)》選定基本空間鋼結(jié)構(gòu)梁柱截面尺寸分別為：H450×200×8×14和H400×400×12×20，鋼材均為Q235鋼；開孔參數(shù)參照文獻[18]取值范圍：開孔直徑建議取值0.55hb～0.75hb，開孔位置按照孔中心線距柱翼緣表面0.75hb～1.15hb(hb為梁腹板的高度)，故本文幾何參數(shù)取B=400 mm，R=125 mm (B為開孔圓心距柱表面的距離；R為開孔半徑)。

1.2 材料本構(gòu)模型

采用有限元軟件ABAQUS[11]建立空間鋼框架計算模型，采用C3D8I單元(8節(jié)點6面體線性非協(xié)調(diào)單元),材料本構(gòu)模型采用多線性隨動強化三折線模型(如圖1)，采用VonMises屈服準則及塑性流動法則[19]，同時考慮循環(huán)荷載作用下鋼材的包辛格效應。材料力學性能參照文獻[11]鋼材拉伸試驗結(jié)果，屈服強度σy=318 N·mm-2，屈服應變εy=0.154%，極限強度σu=470 N·mm-2，極限應變εu=12%，極限強度σst=367 N·mm-2，破壞時應變εst=17%。建立有限元模型如圖2所示。

圖1 鋼材應力-應變關(guān)系

圖2 三維空間鋼框架計算模型

1.3 邊界條件及加載方法

在鋼框架空間建模中，沿主梁軸線方向為X軸，沿次梁軸線方向為Y軸，沿柱子軸線方向為Z軸。為了防止加載處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，將2層加載端柱翼緣上的所有節(jié)點進行X方向耦合。為了防止主梁在加載過程中過早地發(fā)生平面外失穩(wěn)，對主梁上翼緣1/3跨度處施加X方向的位移約束，以模擬次梁對主梁約束。為了模擬鋼柱腳固定支座，將柱底端面全部約束?？臻g框架需考慮重力的二階效應影響，加載制度參考ECCS[13]。采用通用屈服彎矩法[13]得到普通節(jié)點和開孔型節(jié)點兩種鋼框架的屈服位移分別為30 mm和26 mm。

2 有限元分析結(jié)果

2.1 塑性鉸的形成過程及應力云圖

圖3和圖4分別為普通節(jié)點與腹板開孔型節(jié)點空間鋼框架在循環(huán)加載過程的應力云圖及塑性鉸的發(fā)展情況，依次為2δy、3δy、5δy、6δy，加載過程中鋼框架模型沒有發(fā)生平面外失穩(wěn)破壞。

圖3 OSF普通節(jié)點鋼框架的應力發(fā)展(單位：N·mm-2)

圖3所示為普通鋼框架的等效應力云圖，由OSF普通鋼框架的等效應力云圖可知，在加載過程中，空間鋼框架節(jié)點域內(nèi)率先進入彈塑性狀態(tài)，緊接著是柱腳和梁端部位。這主要是由于節(jié)點域受力情況較復雜，等效應力值較大，因此工程設(shè)計時應當對節(jié)點域給予加強，防止節(jié)點域出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象。與此同時，OSF鋼框架的高峰應力首先出現(xiàn)在框架梁的梁端與柱翼緣連接焊縫處，隨之鋼框架的柱腳的翼緣板屈曲，梁端與柱翼緣連接焊縫處的應力始終較大，實際地震作用中易發(fā)生鋼框架梁端與柱翼緣連接焊縫的開裂破壞，致使框架過早的破壞。

圖4所示為OWF腹板開孔型節(jié)點鋼框架的應力云圖?？梢钥闯?， OWF腹板開孔型鋼框架在應力發(fā)展依次為開孔處、節(jié)點域、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；在整個加載過程中，梁翼緣與腹板連接處的焊縫處應力較小，相比普通框架而言，實現(xiàn)了塑性鉸的轉(zhuǎn)移，防止鋼框架出現(xiàn)脆性破壞。

圖4 OWF腹板開孔型鋼框架的應力發(fā)展(單位：N·mm-2)

2.2 滯回性能及骨架曲線

滯回曲線是評價結(jié)構(gòu)抗震性能主要依據(jù)之一，滯回曲線越豐滿，表示試件的耗散地震能量的能力越好，抗震性能越強。循環(huán)荷載作用下空間鋼框架的荷載-位移滯回曲線如圖5所示。

圖5 OSF鋼框架與OWF鋼框架滯回曲線

由圖5(a)、圖5(b)對比分析可知，循環(huán)荷載作用下普通鋼框架和腹板開孔型鋼框架的滯回曲線均較豐滿，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，兩種鋼框架的滯回曲線基本趨勢一致，說明此時兩鋼框架的抗震耗能基本接近；加載到彈塑性受力階段之后，腹板開孔型鋼框架的滯回面積與普通鋼框架基本相當；當進入塑性破壞階段時，腹板開孔型鋼框架滯回曲線最大值比普通鋼框架下降較快。總體來看，普通鋼框架的滯回面積更大，滯回性能更好。

由圖5(c)可知，循環(huán)荷載作用下兩種鋼框架都經(jīng)歷了彈性、彈塑性、塑性、破壞4個階段。在彈性階段兩種鋼框架的骨架曲線吻合較好，但進入彈塑性及塑性受力階段，腹板開孔型鋼框架的骨架曲線略低于普通鋼框架，開孔型鋼框架的表現(xiàn)出較好的延性性能。

由表1發(fā)現(xiàn)兩種鋼框架彈性承載力基本相同，但是腹板開孔型鋼框架的屈服承載力和極限承載力較普通節(jié)點鋼框架分別降低了4.3%和15.3%，說明削弱型節(jié)點鋼框架可以降低承載力，實現(xiàn)強柱弱梁的抗震規(guī)范要求。但是削弱型節(jié)點鋼框架承載力較普通鋼框架低，加載過程中削弱梁端腹板易發(fā)生局部鼓曲，應在腹板處設(shè)置加勁肋，防止削弱梁端過早發(fā)生局部鼓曲。

表1 鋼框架承載力對比 kN

2.3 耗能能力

表2 鋼框架等效粘滯阻尼系數(shù)he

圖6 等效粘滯阻尼系數(shù)計算示意圖

圖7 剛度退化

2.4 剛度退化分析

剛度退化是評價結(jié)構(gòu)抗震性能好壞的重要指標之一。等效剛度是將各鋼框架結(jié)構(gòu)模型滯回曲線中坐標原點與各條循環(huán)曲線的峰值點相連連線的斜率。等效剛度退化系數(shù)是衡量剛度退化的重要參數(shù)，框架等效剛度退化系數(shù)即等效剛度與最大剛度的比值。由圖7所示OSF普通鋼框架及OWF腹板開孔型鋼框架有限元計算模型的剛度退化曲線?？梢钥闯?，兩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，剛度退化系數(shù)基本對稱。處于彈性工作階段時，模型剛度基本保持不變，承載力可增加；進入塑性階段時，剛度退化曲線開始慢慢下降。

當OSF、OWF鋼框架在循環(huán)荷載分別增大至2δy時，剛度退化曲線基本穩(wěn)定，進入塑性階段。OWF鋼框架的極限位移為210 mm，OSF鋼框架的極限位移為220 mm，OWF鋼框架的剛度退化曲線位于OSF鋼框架的下部，退化較為緩慢。

3 有限元驗證

為了驗證有限元模擬方案的正確性，利用ABAQUS對文獻[17]已有試驗試件進行了有限元模擬。單跨兩層1∶3縮尺的鋼框架結(jié)構(gòu)。梁HW100×100×6×8，柱為HM150×100×6×9，鋼材為Q235B，焊條采用E43型，跨度為1 500mm,層高為1 000mm。框架的試驗滯回曲線和有限元模擬曲線如圖8所示。

圖8 試驗與有限元模擬滯回曲線

對比試驗和有限元模擬滯回曲線可知：由于有限元模擬分析未能考慮結(jié)構(gòu)的初始缺陷，導致有限元限元結(jié)果的剛度稍大于試驗的結(jié)果；有限元模擬承載力略微大于試驗結(jié)果是由于未考慮焊縫的缺陷、焊接殘余應力以及材料性能等實際中可能存在的影響因素?？偠灾?，有限元模擬結(jié)果的剛度和承載力與試驗值差別較小，計算模擬值和試驗值吻合較好，證明了有限元建模的可行性及有效性。

4 結(jié)論

(1)通過有限元模擬分析，發(fā)現(xiàn)腹板開孔型節(jié)點可使梁端塑性鉸出現(xiàn)腹板削弱處，實現(xiàn)塑性鉸的外移，避免梁柱焊縫處應力集中發(fā)生脆性斷裂現(xiàn)象。

(2)在彈塑性及塑性階段，開孔型節(jié)點在腹板開孔處腹板過早的屈曲，導致其承載力和普通鋼框架相比明顯降低，但耗能能力較高于普通鋼框架。

(3)兩種空間鋼框架的剛度退化曲線趨勢基本一致，但屈服階段后腹板開孔型節(jié)點鋼框架的負向強度退化速度大于普通鋼框架，在中強震地區(qū)可用開孔型節(jié)點鋼框架。

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Study on Seismic Performance of Space Steel Frames with Opening on Beam Webs Section Connections Under Low-Cyclic Loading

Shi Dan, Meng Chunhui

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

In order to compare the seismic performance of the conventional connection steel frames and the opening on beam webs section connection steel frames ,three-dimensional finite element models of steel frames with two types of connections under low-cyclic loading are established utilizing ABAQUS software.Main properties including failure mode ,ultimate bearing capacity, hysteretic behavior,energy dissipation capacity,strength and stiffness degradation are evaluated on steel frames with these two types of connections.Analysis results show that the opening on beam webs joint can let the plastic hinge away from the welded connection of beam-column and avoid welded connection brittle fracture induced by the tie-beam stress connection.The equivalent viscous damping ratio of the opening on beam webs joint steel frame is obviously greater than the common joint steel frame,and when the steel frames enters the yield stage ,the stiffness and bearing degradation of the reduced joint steel frame is more slower for the stress redistribution.The opening on beam webs joints steel frame has a clear and ductile beam-hinge failure mechanism.The research contents can provide reference for the application and theoretical analysis of space steel frame with the reduced beam connections.

opening on beam webs;space steel frame;ABAQUS;relocation of the plastic hinge;hysteretic behavior;seismic performance

2016-01-18 責任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.01.06

石丹(1989-)，女，碩士研究生，主要從事鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)抗震性能研究工作。E-mail:2497038127@qq.com.

TU391

A

2095-0373(2017)01-0031-06

石丹，孟春輝.腹板開孔型節(jié)點空間鋼框架在低周反復荷載作用下的抗震性能研究[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版,2017,30(1):31-35.