一種裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁貫通式節(jié)點(diǎn)數(shù)值模擬

寧 廣 段海濤 夏 亮 崔 偉

(北京中天元工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，北京 100142)

1 概述

無論工業(yè)建筑還是民用建筑，無論多層建筑還是高層建筑，國(guó)內(nèi)鋼框架結(jié)構(gòu)受傳統(tǒng)施工工法影響，通常梁柱節(jié)點(diǎn)均采用柱貫通形式，雖然也有梁貫通的節(jié)點(diǎn)做法，但相對(duì)較少，并且國(guó)內(nèi)針對(duì)梁貫通節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究也不多。國(guó)外采用梁貫通節(jié)點(diǎn)形式的鋼框架多層住宅，在高烈度地震區(qū)的應(yīng)用已有超過50年歷史。國(guó)外工程師的研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明[1]，梁貫通式節(jié)點(diǎn)鋼框架具有良好的抗震性能，并且可以更適應(yīng)工業(yè)化要求制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、安裝，更有利于國(guó)家對(duì)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)的推廣。

本文以北京市順義區(qū)某三層別墅項(xiàng)目為例，如圖1所示，對(duì)其采用的裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁貫通、柱端板連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，從而研究了其抗震性能。

2 有限元模型的建立

2.1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁貫通式節(jié)點(diǎn)主要由貫通梁、柱以及端板組成。貫通梁采用工字型鋼，截面尺寸為HN250×125×6×9，梁腹板在與柱翼緣對(duì)應(yīng)位置處設(shè)置加勁肋，加勁肋厚度為6 mm。梁上下翼緣按一定的模數(shù)開有螺栓孔，這樣鋼柱可以自由移動(dòng)，滿足建筑方面對(duì)空間、立面等要求。另外，在實(shí)際工程中梁跨度一般較長(zhǎng)，為了模擬梁柱節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)和變形形態(tài)，將梁跨取為4 m。鋼柱同為工字型鋼，截面尺寸為HN259×107×6×9。構(gòu)件均在工廠預(yù)制，在施工現(xiàn)場(chǎng)使用10.9級(jí)M16高強(qiáng)螺栓進(jìn)行端板連接，節(jié)點(diǎn)具體連接構(gòu)造見圖2。

2.2 單元選用和網(wǎng)格劃分

采用Abaqus有限元軟件建立裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁貫通式節(jié)點(diǎn)模型，模型構(gòu)件均采用實(shí)體單元C3D8R。分析過程中，充分考慮了材料非線性、幾何非線性和接觸非線性。網(wǎng)格密度的大小根據(jù)構(gòu)件尺寸及分析需求進(jìn)行調(diào)整。本文綜合考慮分析精度和計(jì)算代價(jià)，將貫通梁主體的網(wǎng)格大小定為90 mm，柱網(wǎng)格大小為75 mm，梁柱節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)、端板和加勁肋為25 mm。

2.3 材料非線性和幾何非線性

模型構(gòu)件采用Q235鋼材，采用Von Mises屈服準(zhǔn)則和隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則。材料的彈性部分通過彈性模量和泊松比來定義，彈性模量取E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3。最終得到Q235鋼材和高強(qiáng)螺栓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖3，圖4所示。在Abaqus中，為考慮幾何非線性，需將Step功能模塊中的Nlgeom設(shè)為On，這樣在計(jì)算過程中就可以考慮結(jié)構(gòu)大變形的影響。在高強(qiáng)螺栓與端板接觸處、端板與貫通梁翼緣接觸處通過定義摩擦系數(shù)為0.3的切向摩擦接觸加上法向硬接觸來模擬[2]。

2.4 加載制度和邊界條件

參照J(rèn)GJ/T 101—2015建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程[3]的相關(guān)規(guī)定，以框架的層間位移角控制模擬加載，模擬的加載歷程為：1/350,1/250,1/200,1/133,1/100,1/67,1/50,1/33和1/25，均為2個(gè)循環(huán)。為防止梁柱節(jié)點(diǎn)發(fā)生面外失穩(wěn)，施加面外約束；柱端施加290 kN的豎向軸力，相當(dāng)于0.4的軸壓比，柱端按鉸接處理，梁端施加上下位移模擬加載。

3 有限元結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力應(yīng)變分析

表1和表2分別為梁貫通式節(jié)點(diǎn)在主要層間位移角下所受的應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變。從中可以看出，梁貫通式節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變隨著加載層間位移角的增加而增加；當(dāng)層間位移角達(dá)到1/250，即抗震規(guī)范[4]中規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)彈性位移角限值時(shí)，梁貫通式節(jié)點(diǎn)各部件均未進(jìn)入塑性，仍處于彈性狀態(tài)；當(dāng)層間位移角達(dá)到1/100時(shí)，梁貫通式節(jié)點(diǎn)各部件均已基本進(jìn)入塑性狀態(tài)；在層間位移角為1/25時(shí)，梁貫通式節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為420 MPa，最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.4，已經(jīng)基本達(dá)到Q235鋼材的極限強(qiáng)度，視為梁貫通式節(jié)點(diǎn)已經(jīng)破壞；在同級(jí)層間位移角下，核芯區(qū)梁腹板所受應(yīng)力和應(yīng)變最大，加勁板所受應(yīng)力和應(yīng)變最小，核芯區(qū)梁翼緣、柱端和端板所受應(yīng)力和應(yīng)變基本相同；梁貫通式節(jié)點(diǎn)主要通過核芯區(qū)梁腹板的剪切變形耗能；圖5和圖6分別為梁貫通式節(jié)點(diǎn)在層間位移角為1/50時(shí)的應(yīng)力云圖和等效塑性應(yīng)變圖。

表2 梁貫通式節(jié)點(diǎn)在主要層間位移角下的等效塑性應(yīng)變PEEQ

3.2 滯回曲線和骨架曲線

圖7和圖8分別為整個(gè)梁貫通式節(jié)點(diǎn)的滯回曲線和骨架曲線。從中可以看出，在開始加載階段，力與位移呈線彈性關(guān)系，滯回環(huán)狹長(zhǎng)，基本不耗能，正負(fù)向加載剛度也比較對(duì)稱；隨著位移的增加，構(gòu)件開始進(jìn)入塑性階段，力與位移不再是線彈性關(guān)系，剛度開始下降，滯回環(huán)增大，構(gòu)件開始耗能。滯回環(huán)整體呈梭形，說明梁貫通式節(jié)點(diǎn)耗能良好，符合剛性節(jié)點(diǎn)的特征。從骨架曲線中可以看出，荷載隨位移的增加而增加，曲線沒有出現(xiàn)下降是因?yàn)樵阡摬牟男远x時(shí)沒有定義下降段。當(dāng)層間位移角達(dá)到1/250，梁貫通式節(jié)點(diǎn)仍處于彈性狀態(tài)，滿足規(guī)范要求。結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)層間位移角達(dá)到1/25時(shí)，結(jié)構(gòu)變形顯著增大，P-δ效果影響增大，此時(shí)鋼柱容易出現(xiàn)平面外失穩(wěn)，故可以將其視為梁貫通式節(jié)點(diǎn)的極限狀態(tài)。

3.3 耗能能力

節(jié)點(diǎn)的耗能能力直接反映了節(jié)點(diǎn)的抗震性能，以等效粘滯阻尼系數(shù)ξe來表示節(jié)點(diǎn)的耗能能力。等效粘滯阻尼系數(shù)ξe=E/2π，E為能量耗散系數(shù)。能量耗散系數(shù)越大，則結(jié)構(gòu)變形時(shí)的能耗就越大，就越有利于抗震。能量耗散系數(shù)的計(jì)算方法見圖9及式(1)。

(1)

其中，SABC,SACD為滯回曲線與X軸所圍的面積；SΔOBE,SΔODF為三角形OBE和三角形ODF的面積。

取層間位移角為1/25時(shí)的荷載位移滯回曲線為研究對(duì)象，經(jīng)過計(jì)算，梁貫通式節(jié)點(diǎn)的等效粘滯阻尼系數(shù)為0.38，抗震性能優(yōu)于普通梁柱節(jié)點(diǎn)。

4 核芯區(qū)梁腹板厚度的影響

經(jīng)過以上分析，梁貫通式節(jié)點(diǎn)主要通過核芯區(qū)梁腹板的剪切變形進(jìn)行耗能，有必要對(duì)核芯區(qū)梁腹板厚度這一影響因素進(jìn)行進(jìn)一步的參數(shù)化分析。在原模型的基礎(chǔ)上分別焊接厚度為4 mm,6 mm和10 mm的鋼板，見表3，用于對(duì)比研究核芯區(qū)梁腹板厚度對(duì)梁貫通式節(jié)點(diǎn)的承載力、剛度、抗震性能等的影響。

圖10為不同焊接鋼板厚度下梁貫通式節(jié)點(diǎn)的骨架曲線對(duì)比。從中可以看出，在處于彈性階段時(shí)，不同焊接鋼板厚度下的梁貫通式節(jié)點(diǎn)的骨架曲線基本重合，說明焊接鋼板對(duì)于梁貫通式

節(jié)點(diǎn)剛度的提高影響不大；在梁貫通式節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性階段后，隨著焊接鋼板厚度的增加，相同層間位移角下所施加的荷載也明顯隨之增加，在層間位移角為1/50時(shí)，試件GB-3施加的荷載為44.05 kN，是試件BASE承載力的1.55倍，表明焊接鋼板有利于提高梁貫通式節(jié)點(diǎn)的承載力；試件BASE,GB-1,GB-2的應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展規(guī)律基本相同，均通過核芯區(qū)梁腹板的剪切變形耗能，而試件GB-3的耗能則主要由核芯區(qū)梁腹板轉(zhuǎn)移到核芯區(qū)梁翼緣，并且此時(shí)核芯區(qū)上下鋼柱側(cè)向屈曲明顯，主要原因是由于焊接鋼板過厚，相對(duì)增加了梁柱節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)的剛度；從表4可以看出，隨著焊接鋼板厚度的增加，GB組試件的等效粘滯阻尼系數(shù)依次減小，表明焊接鋼板厚度增加，并不能提高梁貫通式節(jié)點(diǎn)的抗震性能。綜上，建議實(shí)際工程中可以在梁柱節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)焊接厚度不大于原鋼梁腹板厚度的鋼板，以提高梁貫通式節(jié)點(diǎn)的承載力。

表3 GB組試件尺寸明細(xì)表

表4 GB組試件等效粘滯阻尼系數(shù)

試件編號(hào)BASEGB-1GB-2GB-3等效粘滯阻尼系數(shù)0.380.360.320.29

5 結(jié)論與建議

1)梁貫通式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便，易于工業(yè)化預(yù)制，有利于裝配式鋼結(jié)構(gòu)的推廣，特別適宜應(yīng)用于低多層鋼結(jié)構(gòu)住宅。

2)梁貫通式節(jié)點(diǎn)在達(dá)到抗震規(guī)范中規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)彈性位移角限值之前時(shí)，各部件均處于彈性狀態(tài)；梁貫通式節(jié)點(diǎn)主要通過核芯區(qū)梁腹板的剪切變形耗能，抗震性能優(yōu)良。

3)建議實(shí)際工程中可以在梁柱節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)焊接厚度不大于原鋼梁腹板厚度的鋼板，以提高梁貫通式節(jié)點(diǎn)的承載力。