地震荷載作用下新型削弱型梁柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)特性研究

姜　磊

(中鐵十四局集團(tuán)第一工程發(fā)展有限公司，山東日照 276826)

工程建設(shè)中鋼材具有延性好、易加工、造型美觀、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的建筑物選用鋼材作為其建筑材料。在鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)過(guò)程中，由于管線穿插，在鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)開(kāi)孔不可避免，尤其是鋼梁結(jié)構(gòu)，開(kāi)孔會(huì)對(duì)梁的力學(xué)性能產(chǎn)生影響[1]。在地震荷載作用下，梁柱節(jié)點(diǎn)往往難以發(fā)揮出耗能優(yōu)勢(shì)，造成脆性破壞[2]。梁柱節(jié)點(diǎn)處鋼梁又是開(kāi)孔頻率較高的區(qū)域，對(duì)此，研究削弱型梁柱節(jié)點(diǎn)在地震荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)顯得尤為重要。

目前，針對(duì)鋼梁開(kāi)孔的削弱型梁柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的研究已取得了一定的成果。楊慶山[3]等對(duì)有限分析和試驗(yàn)研究了梁腹板開(kāi)圓孔的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的受力性能，得出腹板開(kāi)孔可以形成“空腹梁”，使得塑性鉸外移，提高抗震性能。李波[4]等對(duì)腹板開(kāi)孔進(jìn)行了擬動(dòng)力試驗(yàn)，得出腹板開(kāi)孔后結(jié)構(gòu)的整體性能并沒(méi)有降低。王秀麗[5]等通過(guò)試件破壞試驗(yàn)來(lái)測(cè)試試件的力學(xué)性能，得出腹板開(kāi)孔能夠有效的控制節(jié)點(diǎn)的塑性鉸的形成的部位，降低結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞的可能性。

以上研究多針對(duì)于腹板削弱時(shí)節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，而對(duì)腹板和翼緣共同削弱情況研究較少。對(duì)此，研究首先提出了一種腹板和翼緣共同開(kāi)孔的新型節(jié)點(diǎn)型式，并采用數(shù)值模擬的方法，開(kāi)展了地震作用下新型梁柱節(jié)點(diǎn)的力學(xué)特性，希望通過(guò)研究明確新型削弱型梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能，從而為鋼結(jié)構(gòu)開(kāi)孔的設(shè)計(jì)施工提供新思路。

1　新型削弱型節(jié)點(diǎn)及計(jì)算模型

1.1　新型削弱型節(jié)點(diǎn)

在鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)過(guò)程中，由于管線穿插，在鋼結(jié)構(gòu)開(kāi)孔不可避免。目前，針對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)開(kāi)孔的設(shè)計(jì)主要有兩種型式[6]：一是針對(duì)翼緣削弱的節(jié)點(diǎn)，另一種是腹板削弱的節(jié)點(diǎn)(圖1)。

(a)翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)

(b)腹板削弱型節(jié)點(diǎn)圖1　削弱型節(jié)點(diǎn)

腹板和翼緣共同開(kāi)孔可以提高鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的適應(yīng)性，使管線穿插更加方便。對(duì)此，結(jié)合兩種開(kāi)孔型式，提出了翼緣與腹板共同開(kāi)孔的節(jié)點(diǎn)型式。選取梁柱節(jié)點(diǎn)形式為栓焊剛性連接，柱截面取為HW350×250×9×14，梁截面選為HW350×175×7×11，鋼材型號(hào)為Q345B鋼。為避免應(yīng)力集中，開(kāi)孔采用圓孔型式，開(kāi)孔直徑翼緣為30 mm，腹板為100 mm。翼緣-腹板共同削弱型節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖2。

(a)翼緣開(kāi)孔

(b)腹板開(kāi)孔圖2　翼緣-腹板共同削弱型節(jié)點(diǎn)(單位：mm)

1.2　計(jì)算模型的建立

分別建立削弱型節(jié)點(diǎn)和未削弱型節(jié)點(diǎn)的數(shù)值計(jì)算模型，通過(guò)分析削弱型節(jié)點(diǎn)和未削弱型節(jié)點(diǎn)的力學(xué)特性，得出開(kāi)孔對(duì)節(jié)點(diǎn)受力的影響。計(jì)算采用ANSYS有限元分析軟件，型鋼采用SOLID45三維實(shí)體單元模擬。數(shù)值模型梁長(zhǎng)1.8 m，柱子高度1.2 m。計(jì)算過(guò)程中，對(duì)柱下端截面施加X(jué)、Y、Z方向的線位移約束，上端施加X(jué)、Y方向的約束，梁的上、下翼緣外側(cè)施加Z方向的約束，計(jì)算模型見(jiàn)圖3、圖4。

圖3　未削弱節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型

圖4　削弱節(jié)點(diǎn)開(kāi)孔細(xì)部

1.3　鋼材屈服準(zhǔn)則

金屬材料其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線并非完全線性，可視為彈塑性材料，在受力初期，材料處于彈性范圍內(nèi)，當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變達(dá)到一定數(shù)值后，金屬材料會(huì)進(jìn)入塑形屈服階段。將鋼材視為理想的彈塑性體，其本構(gòu)關(guān)系為：

式中：fy表示鋼材的屈服強(qiáng)度；εy表示鋼材的屈服拉應(yīng)變；Es表示鋼材的彈性模量；fsu表示鋼材的極限強(qiáng)度；εsu表示鋼材的極限拉應(yīng)變。

計(jì)算時(shí)，可調(diào)用ANSYS中雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(BKIN)，材料的彈性模量為2.06×105MPa，屈服應(yīng)力取為380 MPa。屈服后的切線模量取0.2倍的彈性模量，即4×104MPa。

1.4　地震荷載簡(jiǎn)化計(jì)算

為了方便計(jì)算，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通過(guò)把地震慣性力作為靜力來(lái)對(duì)待，實(shí)現(xiàn)把地震荷載在一定程度上的合理簡(jiǎn)化，地震荷載計(jì)算公式如下：

F=kβ(T)G

式中：β(T)則是加速度反應(yīng)譜Sa(T)和地震動(dòng)最大加速度a之間的比值，表示的是地震的時(shí)候結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度擴(kuò)大的倍數(shù)；k為地震系數(shù)，是地震動(dòng)峰值加速度和重力加速度之間的比值；G是重力荷載的代表值。

研究以一般跨度普通高度結(jié)構(gòu)為主，地震烈度為7度，只考慮水平地震作用。地震系數(shù)k為0.08，放大系數(shù)β(T)為2.875。柱端受到69.78 kN的重力，因此，計(jì)算得出地震荷載為325 kN，計(jì)算過(guò)程中，將地震荷載直接施加在鋼梁遠(yuǎn)離柱的一端。

2　翼緣-腹板削弱型梁柱節(jié)點(diǎn)

2.1　鋼梁位移分析

鋼梁結(jié)構(gòu)中翼緣提供梁的抗彎承載力，腹板提供梁的抗剪承載力。梁柱節(jié)點(diǎn)在翼緣和腹板同時(shí)開(kāi)孔后，其承載能力會(huì)出現(xiàn)一定的降低。荷載作用下，鋼梁的變形可以反映梁柱節(jié)點(diǎn)的承載能力。研究通過(guò)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析了鋼梁的變形特征。鋼梁上部翼緣中心等間距布置了8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，荷載施加后豎向變形結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5　鋼梁豎向變形計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可以看出，翼緣和腹板同時(shí)開(kāi)孔后，鋼梁的豎向變形出現(xiàn)了少量的增加，鋼梁的承載能力出現(xiàn)了一定的降低。未開(kāi)孔的鋼梁最大豎向位移為20.4 mm，開(kāi)孔后鋼梁的最大豎向位移為21.8 mm，豎向位移增加了6.9 %。由此可以看出，開(kāi)孔后鋼梁的承載能力出現(xiàn)了一定的降低，但降低程度不明顯，合理的開(kāi)孔并不會(huì)明顯的降低鋼梁的承載能力。

2.2　應(yīng)力分析

為分析地震荷載下開(kāi)孔后，梁柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力轉(zhuǎn)移規(guī)律，提取了計(jì)算結(jié)果后的Mises應(yīng)力，Mises應(yīng)力可以反映主應(yīng)力的大小，幫助判斷材料的應(yīng)力狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。

圖6　未削弱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布

圖7　削弱型節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布

由計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)梁端施加地震荷載后，兩種梁柱節(jié)點(diǎn)均在全焊接部位出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中，未削弱型節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為451 MPa。削弱型節(jié)點(diǎn)除了在全焊接部位出現(xiàn)應(yīng)力集中外，翼緣開(kāi)孔部位也出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中全焊接部位最大應(yīng)力為433 MPa，開(kāi)孔部位最大應(yīng)力為468 MPa，腹板開(kāi)孔后，腹板提供的抗剪性能降低，引起底部翼緣也出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中，底部翼緣最大應(yīng)力為406 MPa。開(kāi)孔后，鋼梁的應(yīng)力明顯發(fā)生轉(zhuǎn)移，最大應(yīng)力由焊縫位置向外側(cè)偏移。開(kāi)孔后的梁柱節(jié)點(diǎn)在地震荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力略大于未開(kāi)孔的梁柱節(jié)點(diǎn)，但最大應(yīng)力位置由焊縫處向外側(cè)偏移。由于鋼材延性明顯好于焊縫，所以地震荷載作用下，合理的翼緣與腹板開(kāi)孔可以在一定程度上降低節(jié)點(diǎn)脆性破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3　塑性區(qū)分析

通過(guò)分析地震荷載下梁柱節(jié)點(diǎn)的塑性區(qū)分布可以進(jìn)一步明確削弱型節(jié)點(diǎn)和未削弱型節(jié)點(diǎn)的破壞模式，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8、圖9。

圖8　未削弱型節(jié)點(diǎn)塑性區(qū)分布

圖9　削弱型節(jié)點(diǎn)塑性區(qū)分布

由梁柱節(jié)點(diǎn)塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果可以看出，未削弱型節(jié)點(diǎn)塑性區(qū)主要集中在全焊接部位，與應(yīng)力分析結(jié)果一致，這種受力特點(diǎn)使得梁柱節(jié)點(diǎn)易在全焊部位發(fā)生脆性破壞。削弱型節(jié)點(diǎn)塑性區(qū)發(fā)生外移，主要集中在鋼梁翼緣開(kāi)孔處部位，腹板開(kāi)孔對(duì)下翼緣抗彎性能產(chǎn)生影響，使得腹板開(kāi)孔處下部翼緣產(chǎn)生塑性區(qū)。與未削弱型節(jié)點(diǎn)對(duì)比，削弱型節(jié)點(diǎn)在全焊接部位的塑性區(qū)域明顯降低，塑性區(qū)主要集中在開(kāi)孔部位，因此削弱型節(jié)點(diǎn)在全焊接部位脆性破壞的可能性明顯降低，破壞模式注漿由脆性破壞變?yōu)樗苄云茐??？紤]到鋼材的延性明顯好于焊縫部位，梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能在一定程度上出現(xiàn)了增強(qiáng)。

3　結(jié)論

地震荷載作用下，梁柱節(jié)點(diǎn)焊縫處易造成脆性破壞。鋼梁開(kāi)孔易引起梁柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力外移，對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和抗震性能產(chǎn)生影響。本研究提出了一種在翼緣和腹板共同開(kāi)孔的新型節(jié)點(diǎn)型式，并通過(guò)數(shù)值模擬的方法分析了新型節(jié)點(diǎn)的抗震性能，得出了削弱型節(jié)點(diǎn)的受力規(guī)律，可以為鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及施工提供指導(dǎo)。通過(guò)研究得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)開(kāi)孔后鋼梁的承載能力出現(xiàn)了一定的降低，但降低程度不明顯，合理的開(kāi)孔并不會(huì)明顯的降低鋼梁的承載能力。

(2)應(yīng)力分析結(jié)果顯示，開(kāi)孔后的梁柱節(jié)點(diǎn)在地震荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力略大于未開(kāi)孔的梁柱節(jié)點(diǎn)。未削弱型節(jié)點(diǎn)應(yīng)力最大位置位于全焊縫處。削弱型節(jié)點(diǎn)應(yīng)力最大位置外移，位于翼緣開(kāi)孔處，全焊縫處應(yīng)力降低。

(3)與未削弱型節(jié)點(diǎn)對(duì)比，削弱型節(jié)點(diǎn)在全焊接部位的塑性區(qū)域明顯降低，塑性區(qū)主要集中在開(kāi)孔部位。

(4)地震荷載作用下，合理的翼緣與腹板開(kāi)孔可以使應(yīng)力集中區(qū)域及塑性區(qū)外移，從而在一定程度上降低節(jié)點(diǎn)全焊縫處脆性破壞的風(fēng)險(xiǎn)。