左右梁高不同外加強環(huán)式鋼框架節(jié)點力學(xué)性能*

隋偉寧， 李曉敏， 王占飛， 鄭子軒

(1. 沈陽建筑大學(xué) a. 土木工程學(xué)院， b. 交通工程學(xué)院， 沈陽 110168； 2. 華誠博遠(yuǎn)工程技術(shù)集團 原創(chuàng)中心設(shè)計部， 北京 100052)

隨著我國鋼結(jié)構(gòu)建筑的快速發(fā)展，尤其近幾年裝配式建筑的興起，出現(xiàn)了大量左右梁高不同非標(biāo)準(zhǔn)框架結(jié)構(gòu).在框架結(jié)構(gòu)中，梁柱通過節(jié)點組合在一起.節(jié)點作為一種媒介，實現(xiàn)力和彎矩從一個桿件傳遞到另一個桿件.

為了改善鋼結(jié)構(gòu)框架節(jié)點的力學(xué)性能，提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，本文提出了一種新型的半剛性連接節(jié)點形式即外加強環(huán)式連接節(jié)點.這種節(jié)點在構(gòu)造上是將外加強環(huán)板通過角焊縫直接焊接到柱壁上，梁上的荷載通過外加強環(huán)板傳遞到柱壁上，在梁翼緣拉力的作用下，節(jié)點域除了剪切變形外，還可能發(fā)生柱壁的局部變形.通過試驗及理論研究驗證了該類節(jié)點具有良好的變形能力和抗震性能[15].但目前還不明確外加強環(huán)式節(jié)點中左右梁高不同的非標(biāo)準(zhǔn)形式節(jié)點的力學(xué)性能以及各設(shè)計參數(shù)的影響.因此，本文利用有限元分析方法對外加強環(huán)式左右梁高不同的3維空間鋼框架節(jié)點的力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，考察了左右梁高比、柱壁厚度、柱的軸壓比、梁翼緣及外環(huán)板厚度等幾何參數(shù)對外加強環(huán)式節(jié)點的承載力和剛度的影響，為該類異形節(jié)點設(shè)計提供理論基礎(chǔ).

1有限元模型

1.1 外加強環(huán)非標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)點概述

本文采用有限元軟件ABAQUS對圓形鋼管柱-H型左右梁高不同非標(biāo)準(zhǔn)外加強環(huán)式節(jié)點進(jìn)行彈塑性力學(xué)研究，節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖1所示(單位：mm)，分析模型的具體幾何尺寸如表1所示，其中，hs為外加強環(huán)板的寬度，ts為外加強環(huán)板的厚度，hf為梁腹板高度.主要參數(shù)包括：左右H型鋼梁高度比β=(hf高+2tf高)/(hf矮+2tf矮)(表1中A系列模型)，圓鋼管柱壁厚度tc(表1中B系列模型)，H型梁翼緣厚度tf(表1中C系列模型)，以及柱子的軸壓比η(表1中D系列模型)等.鋼管柱長度H、梁長度L、梁翼緣寬bf、腹板厚度tw以及鋼管柱直徑D等保持不變.試驗研究結(jié)果表明，當(dāng)較矮的H型鋼梁與圓形鋼管采用外加強環(huán)板連接時，下翼緣采用半包柱形式，其力學(xué)性能改善效果較好，因此，本文的所有模型均采用半包柱形式，即α為180°.

1.2 網(wǎng)格劃分及材料特性

有限元模型均采用S4R殼單元，為了保證計算精度，減少計算時間，在節(jié)點核心區(qū)域網(wǎng)格劃分較密，其余部分網(wǎng)格較疏.建模分析時未考慮焊縫以及焊接殘余應(yīng)力影響.典型的有限元模型如圖2所示.

外加強環(huán)式節(jié)點各構(gòu)件(梁、柱及外加強環(huán)板)材料均采用Q345級鋼材，屈服應(yīng)力fv為345 MPa，彈性模量E為205 GPa，泊松比v為0.3，材料本構(gòu)模型采用兩折線隨動強化模型，強化段切線模量Et=0.01E.

1.3 邊界條件

有限元分析模型的邊界條件及加載方式如圖3所示.在柱腳處約束水平兩個方向及豎直方向的平動，柱頂處約束水平兩個方向的平動，左右梁端部約束水平兩個方向的平動以及繞梁縱向的轉(zhuǎn)動.加載方式為：首先在柱頂部施加一定的軸向壓力，然后再在左右梁端部同時施加上下反對稱的豎向位移，直至節(jié)點達(dá)到破壞，觀察節(jié)點域的應(yīng)力分布與剪切變形情況，并對節(jié)點域的力學(xué)性能進(jìn)行評價.

1.4 節(jié)點域的受力狀態(tài)

為了更好地把握外加強環(huán)式節(jié)點域的彈塑性性能，便于數(shù)據(jù)整理，詳細(xì)分析節(jié)點域的受力狀態(tài)，如圖4所示.

由于左右梁高不同，與標(biāo)準(zhǔn)形式節(jié)點域相比，異形節(jié)點域由2個部分組成，分別為上核心區(qū)和下核心區(qū)，對于上核心區(qū)的剪力計算公式為

(1)

下核心區(qū)的剪力計算公式為

(2)

核心區(qū)的平均剪力計算公式為

(3)

式中：b1M和b2M分別為兩側(cè)梁端的彎矩值；cQU和cQL分別為節(jié)點域的剪力值；db1和db2分別為節(jié)點域的高度.

圖1 圓鋼管柱-H型鋼梁外環(huán)板式異形節(jié)點Fig.1 Circular hollow steel column-H shaped steel connected by irregular joints

模型βηtcmmtfmmtsmmHmmDmmhf高mmhf矮mm初期剪切剛度(kN·m-1)屈服承載力kN極限承載力kNA17∶30.210181811502802109066429739870A27∶40.2101818115028021012044923776914A37∶50.21018181150280210150278158841040A47∶60.21018181150280210180140199061067B17∶30.28181811502802109048643612720B27∶30.210181811502802109066429739870B37∶30.2121818115028021090767398641017B47∶30.21518181150280210909406810641231C17∶30.210101011502802109056629588692C27∶30.210121211502802109059137644758C37∶30.210151511502802109062204685818C47∶30.210181811502802109066429739870D17∶30.010181811502802109073757760894D27∶30.110181811502802109069918746878D37∶30.210181811502802109066429739870D47∶30.310181811502802109064210710836D57∶30.410181811502802109058522698822

圖2 異形節(jié)點有限元模型Fig.2 Finite element model for irregular joints

圖3 框架邊界條件及加載方式Fig.3 Boundary condition and loading mode of frame

圖4 節(jié)點域的受力狀態(tài)Fig.4 Force states of panel zone

對于任意一個承受剪力作用的節(jié)點域，在節(jié)點剪力的作用下，節(jié)點的剪切變形如圖5所示，其中，α1為柱軸線與豎直向的夾角，α2為小梁軸線與水平方向的夾角，節(jié)點域的剪切角γ計算公式為

(4)

核心區(qū)的平均剪切角計算公式為

(5)

式中，γ1和γ2分別為與較矮一側(cè)梁等高的節(jié)點域剪切變形和較高一側(cè)梁對應(yīng)的節(jié)點域減去較矮一側(cè)梁對應(yīng)的節(jié)點域后剩余節(jié)點域的剪切變形.

圖5 節(jié)點域剪切變形示意圖Fig.5 Schematic shear deformation of panel zone

2 設(shè)計參數(shù)對節(jié)點力學(xué)性能的影響

2.1 左右梁高比對節(jié)點力學(xué)性能的影響

為了便于考察左右梁高比對外加強環(huán)節(jié)點力學(xué)性能的影響，其他參數(shù)不變，改變左右梁高比β為7∶3、7∶4、7∶5、7∶6，根據(jù)四種異形節(jié)點(A系列模型)的有限元結(jié)果，利用上述節(jié)點域剪力和剪切角計算公式(3)、(5)整理得剪力V-剪切角γ曲線，如圖6所示.由圖6可知，隨著左右梁高比的增加，節(jié)點域的初期剪切剛度有所增加，但進(jìn)入彈塑性后承載能力下降.

圖6 左右梁高比的影響Fig.6 Effect of left-right beam height ratio

2.2 柱壁厚度對節(jié)點力學(xué)性能的影響

為了探明柱壁厚度對節(jié)點域承載力的影響，其他參數(shù)不變，改變柱壁厚度tc為8、10、12和15 mm，四種B系列節(jié)點剪力V-剪切角γ曲線對比如圖7所示.由圖7可知，隨著柱壁厚度的增加，節(jié)點域的初期剪切剛度變化不大，進(jìn)入彈塑性后節(jié)點的承載能力顯著增加，并且最大承載力增幅達(dá)70%以上.

圖7 柱壁厚度的影響Fig.7 Effect of column wall thickness

2.3 梁翼緣板厚度對節(jié)點力學(xué)性能的影響

為了探明梁翼緣板厚度對節(jié)點域承載力的影響，其他參數(shù)不變，改變梁翼緣板厚度tb為10、12、15和18 mm，四種模型C系列節(jié)點剪力V-剪切角γ曲線對比如圖8所示.由圖8可知，隨著梁翼緣板厚度的增加，節(jié)點域的初期剪切剛度變化不大，但是節(jié)點進(jìn)入彈塑性后承載能力顯著增加，最大增幅達(dá)30%以上.

圖8 梁翼緣板厚度的影響Fig.8 Effect of beam flange thickness

2.4 柱軸壓比對節(jié)點力學(xué)性能的影響

為了探明軸壓比對節(jié)點域力學(xué)性能的影響，對軸壓比η從0增加到0.4五種模型D系列節(jié)點剪力V-剪切角γ曲線進(jìn)行比較分析，結(jié)果如圖9所示.由圖9可知，隨著軸壓比的增加，雖然初期剪切剛度變化較小，但最大抗剪承載力逐漸減小，減少約10%，并且達(dá)到最大抗剪承載力后，承載力下降速度隨著軸壓比的增加而變快.

2.5 節(jié)點域附近應(yīng)力分布及變形

為了更詳細(xì)了解外加強環(huán)式節(jié)點的應(yīng)力分布及變形形態(tài)，以A系列左右梁高不同的四種模型節(jié)點為例，當(dāng)節(jié)點域剪切角達(dá)到0.2時，應(yīng)力分布和變形如圖10所示.由圖10可知，在外荷載作用下，梁與柱節(jié)點域附近產(chǎn)生了較高的應(yīng)力，并且隨著β的減小，高應(yīng)力分布范圍擴展到整個節(jié)點域以及上下柱的鋼管壁.節(jié)點域的變形主要集中在下節(jié)點域核心區(qū)，隨著β的減小，下節(jié)點域核心區(qū)的變形逐漸舒展.

圖9 軸壓比的影響Fig.9 Effect of axial compression ratio

圖10 剪切角為0.2時異形節(jié)點的應(yīng)力分布及變形Fig.10 Stress distribution and deformation of irregular joints with shear angle of 0.2

3 結(jié) 論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

1) 隨著左右梁高度比的增加，節(jié)點域的抗剪承載力降低，初期剪切剛度增加；

2) 增加柱壁厚度，節(jié)點域的初期剪切剛度變化較小，但抗剪承載力增加顯著，最大增幅達(dá)70%；

3) 增加翼緣厚度，節(jié)點域的初期剪切剛度變化不大，但抗剪承載力增加顯著，最大增幅達(dá)30%；

4) 隨著軸壓比的增加，節(jié)點域的抗剪承載力降低，但是剛度變化不大.