耗能隅撐鋼框架節(jié)點性能分析

許峰*，馬震，賈巖2，李振興

(1.沈陽建筑大學土木工程學院， 遼寧沈陽100168；2.沈陽建筑大學建設項目管理公司， 遼寧沈陽100168)

0 引言

為了抵抗地震所產(chǎn)生的水平地震作用，則位于震區(qū)烈度的建筑結(jié)構(gòu)必須具有一定的抗側(cè)移剛度、強度以及良好的耗能能力，消耗因地震水平荷載作用下產(chǎn)生的能量。在實際工程中廣泛采用的結(jié)構(gòu)體系有純鋼框架結(jié)構(gòu)(MRF)、中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)(CBF)、偏心支撐框架結(jié)構(gòu)(EBF)、隅撐支撐鋼框架結(jié)構(gòu)(KBF)[1-2]。

純框架結(jié)構(gòu)(MRF)既能承擔豎向荷載，也能承擔水平荷載，構(gòu)造簡單、平面布置靈活、剛度均勻以及延性良好。但是純框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度較低，地震作用下會發(fā)生整體結(jié)構(gòu)鋼框架的破壞。中心支撐框架(CBF)抗側(cè)移剛度較大，但支撐受壓易屈曲，容易導致結(jié)構(gòu)脆性破壞，結(jié)構(gòu)延性不佳[3-4]。偏心支撐框架結(jié)構(gòu)體系(EBF)各層梁柱節(jié)點處布置偏心支撐，能夠提高鋼框架體系的極限承載能力和抗側(cè)移剛度；在發(fā)生較大的地震時，體系內(nèi)的柱和支撐之間的梁上形成耗能梁段，耗能梁段率先發(fā)生剪切屈服，避免了支撐的屈曲失穩(wěn)，從而提高結(jié)構(gòu)體系的延性。但它主要以結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的剪切破壞為代價，震后修復較為困難，修復費用較高。隅撐支撐結(jié)構(gòu)巧妙地結(jié)合了中心支撐的剛度和偏心支撐的延性性能，隅撐支撐鋼框架體系在彈性階段內(nèi)的剛度和強度同時能夠達到結(jié)構(gòu)抗震的要求；同時在地震作用下該體系中隅撐構(gòu)件率先達到塑性并耗能，發(fā)揮其“耗能保險絲”的作用。但框架體系剪切屈服耗能情況依賴于支撐是否屈曲，結(jié)構(gòu)設計中需要保證支撐的穩(wěn)定性；并且隅撐支撐體系連接梁柱或者隅撐的支撐斜桿均占用了巨大的建筑使用空間，影響了結(jié)構(gòu)空間的靈活性，因此會造成無法滿足建筑使用空間要求的情況[5-7]。所以，一種新型的支撐結(jié)構(gòu)應運而生—耗能隅撐鋼框架結(jié)構(gòu)，即在隅撐支撐結(jié)構(gòu)的基礎上去掉支撐斜桿，梁柱節(jié)點域附近設置單獨的耗能隅撐來作為主要的抗側(cè)力構(gòu)件。耗能隅撐是采用低屈服點的軟鋼作為芯材，外套防屈曲約束裝置。同時，耗能隅撐的設置即解決了純鋼框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度低的問題，又解決了隅撐支撐框架支撐結(jié)構(gòu)剛度不均勻及空間布置不靈活的問題，即能夠提高結(jié)構(gòu)的承載力和抗側(cè)移剛度，又能在設防地震和罕遇地震作用下起到消能的作用，進而達到“剛?cè)岵钡目拐鹦阅堋Ｍ瑫r由于耗能隅撐構(gòu)件較小，方便在受損后進行人為更換，達到了安全、經(jīng)濟、合理的目的[8-10]。

1 耗能隅撐支撐節(jié)點有限元分析

1.1 試件尺寸設計

圖1 耗能隅撐芯材Fig.1 Energy dissipation brace core material

耗能隅撐芯材結(jié)構(gòu)設計：耗能隅撐采用低屈點的Q235鋼材作為芯材，為防止芯材平面外失穩(wěn)，參考國內(nèi)外一些屈曲約束支撐設計方法[11]，同時為解決隅撐支撐受壓屈曲以及滯回性能差的問題，在耗能隅撐外部設置槽鋼約束，槽鋼用鋼板連接，約束耗能隅撐的受壓屈曲，同時為便于同梁柱節(jié)點連接及避免應力集中，耗能隅撐兩端采用1∶2.5端部放大，耗能隅撐形式方法構(gòu)造如圖1所示。

耗能隅撐節(jié)點設計：耗能隅撐節(jié)點的梁柱截面尺寸選自沈陽某多層鋼框架結(jié)構(gòu)試件，三種形式節(jié)點分別為：梁柱剛接節(jié)點(YXJD)、梁柱鉸接耗能隅撐節(jié)點(JJJD)和梁柱剛接耗能隅撐節(jié)點(GJJD)。在梁柱剛接節(jié)點的基礎上增設耗能隅撐，其他增設耗能隅撐節(jié)點的耗能隅撐截面形式完全相同，只是梁柱連接方式不同。采用大型有限元分析軟件ABAQUS對上述三種節(jié)點進行模型建立。

三種節(jié)點梁柱部位全部選用型號為Q345B的H型鋼，YXJD和GJJD梁翼緣與柱采用焊接連接，梁腹板與柱采用螺栓連接。JJJD梁腹板與柱采用螺栓連接，同時利用螺栓連接耗能隅撐與梁柱，以此實現(xiàn)鉸接連接。三種節(jié)點的梁、柱H型鋼截面尺寸分別為350×175×7×11、300×300×10×15(單位mm)，梁、柱構(gòu)件長度分別為1 500、2 300(單位mm)，耗能隅撐矩形截面尺寸為80×10(單位mm)，耗能隅撐長750(單位mm)。根據(jù)文獻對于鋼框架節(jié)點的抗震要求，同時依據(jù)學者對耗能隅撐大量的有限元參數(shù)分析得到的相關結(jié)論，為使耗能隅撐節(jié)點耗能效果最佳，耗能隅撐沿45°布設、耗能隅撐在梁上的偏心距與框架梁長度的比值選取0.30～0.38時，耗能隅撐構(gòu)件與節(jié)點梁截面的剛度比值的范圍在0.02～0.06時，耗能隅撐節(jié)點具有較高的強度、承載力、剛度以及較好的耗能能力。

不同于普通鋼支撐，耗能隅撐節(jié)點設計對耗能隅撐芯材與節(jié)點梁柱達到屈服的先后順序有密切關聯(lián)，對發(fā)揮耗能隅撐“雙保險”的功能有重大影響。其中耗能隅撐構(gòu)件剛度對鋼框架各部位先后進入屈服起決定性因素，耗能隅撐部位的剛度運算至關重要，需要對耗能隅撐部位的剛度進行“串聯(lián)”運算(見圖2)：耗能隅撐構(gòu)件剛度+耗能隅撐與梁柱連接處節(jié)點板剛度+梁柱節(jié)點域處剛度[12]。

將耗能隅撐構(gòu)件長度L0分為三段，分別為：L1、L2、Le(見圖2)，對應的剛度分別為：k1、k2、ke；對其進行剛度串聯(lián)計算，可以得到：

(1)

L1段同樣可以分為L11和L12兩段分別計算，其中L11段的剛度為k11，L12段的剛度為k12，見圖3。L2段剛度采用同樣的劃分方式，劃分為k21和k22。在實際計算中，可以將節(jié)點域部分即L11區(qū)域的剛度判定為無限大，即：k11=∞，因此k1=k12，k2=k22于是，式1變?yōu)椋?/p>

(2)

圖2 剛度串聯(lián)示意圖
Fig.2 Sketch map of stiffness in series

圖3L1段放大示意圖
Fig.3 Enlargement of sectionL1

(3)

通過計算得到：耗能隅撐沿梁柱節(jié)點45°設，耗能隅撐在梁上的偏心距為0.38，耗能隅撐的剛度與節(jié)點梁截面的剛度比值為0.06時耗能效果最佳。依據(jù)上文梁柱尺寸及通過剛度計算得到的耗能隅撐尺寸并對其建立有限元模型，梁柱剛結(jié)節(jié)點及布置耗能隅撐的耗能隅撐節(jié)點見圖4。

(a) 梁柱剛結(jié)節(jié)點模型

(b) 耗能隅撐節(jié)點模型

1.2 鋼材本構(gòu)模型的選取

在進行ABAQUS有限元模擬過程中，需要對耗能隅撐選用的鋼材進行本構(gòu)選取，定義鋼材塑性時，必須選用鋼材的真實應力和真實塑性應變[13]。耗能隅撐構(gòu)件所采用的Q235鋼材真實應變ε、應力σ與梁柱采用的Q345鋼材名義應變εnom、應力σnom之間可以通過下列公式進行轉(zhuǎn)換：

ε=ln(1+εnom),

(4)

σ=σnom(1+εnom),

(5)

εpl=ε-εel=ε-σ/E,

(6)

式中：εpl為鋼材真實塑性應變；

εel為鋼材真實彈性應變；

E為彈性模量。

通過上述公式計算給出兩種剛才材料力學性能指標，見表1。

表1 鋼材力學性能指標Tab.1 Mechanical properties of steel

1.3 相互作用

YXJD與GJJD梁翼緣和梁腹板與柱均采用tie連接，JJJD梁腹板與柱采用tie連接，翼緣不做處理，以此實現(xiàn)梁柱鉸接連接；GJJD和JJJD中耗能隅撐與梁柱的連接均采用tie綁定，來使耗能隅撐兩端的自由度與梁柱相同。研究重點為耗能隅撐的布置對傳統(tǒng)梁柱節(jié)點的影響，為方便快速進行有限元分析，在模型相互作用中忽略了構(gòu)件初始缺陷、焊接缺陷、焊接殘余應力和高強螺栓對節(jié)點性能的影響。

1.4 邊界條件及加載制度

三種節(jié)點邊界均為柱兩端采用鉸接固定，在有限元模擬中將節(jié)點柱兩端約束并保證柱不發(fā)生移動只進行與梁加載方向相同方向的轉(zhuǎn)動，以此來模擬實際工況下柱兩端的鉸接固定。通過耗能隅撐鋼框架節(jié)點柱截面依據(jù)軸壓比計算出模型柱端豎向加載的設計值，在初始分析步中將計算豎向荷載加至模型柱上端，并在后續(xù)分析步中保持此數(shù)值恒定不變。在梁端施加豎向往復荷載，耗能隅撐節(jié)點結(jié)構(gòu)模擬加載點位于梁端距柱翼緣1 500 mm處。根據(jù)耗能隅撐鋼框架節(jié)點在低周往復循環(huán)荷載下的受力性能，并由于收斂性的影響，單獨設置兩次分析步進行模擬實際低周往復荷載擬靜力試驗中鋼框架節(jié)點試件彈性階段荷載控制和試件發(fā)生屈服之后的位移控制，力加載階段分3～4次單循環(huán)將荷載加至耗能隅撐試件發(fā)生屈服，通過檢測試件各部位在模擬中的實時應力及荷載位移曲線的明顯拐點來綜合確定各節(jié)點的屈服位移，在試件屈服后采用位移控制，每級位移均循環(huán)2次，直至試件破壞(見圖5)。

1.5 單元選取及網(wǎng)格劃分

模型中各單元選擇C3D8R減縮積分單元，由于構(gòu)件兩端存在單元扭曲，而C3D8R對扭曲不敏感[14]。同時為保證各構(gòu)件有限元模擬更加接近實際地震作用下的受力情況和破壞形態(tài)，按35mm為構(gòu)件各部分劃分網(wǎng)格(見圖6)，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，檢查各個模型區(qū)域網(wǎng)格的質(zhì)量、節(jié)點和單元信息，均滿足要求。

圖5 加載制度
Fig.5 Loading system

圖6 耗隅撐節(jié)點能網(wǎng)格劃分
Fig.6 Mesh generation of energy dissipation braced joints

2 有限元模擬結(jié)果

通過有限元分析，給出耗能隅撐芯材荷載(F/kN)—位移(U/mm)曲線，從耗能隅撐有限元模擬結(jié)果(見圖7)可以得出：芯材耗能段首先屈服耗能，耗能效果顯著，芯材在外加槽鋼的作用下屈強比小于0.8，伸長率大于0.3，芯材性能遠遠超過《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011—2010)的要求，因此采用Q235作為隅撐支撐的芯材，完全能滿足規(guī)范的要求。

將YXJD與增設耗能隅撐節(jié)點有限元結(jié)果及滯回曲線進行對比分析，分別得出其耗能隅撐屈服荷載、屈服位移以及梁柱屈服荷載、屈服位移，見表2。

表2 三種節(jié)點有限元模擬結(jié)果Tab.2 Finite element simulation results of three kinds of joints

(b) 芯材滯回曲線

圖7 耗能隅撐有限元模擬結(jié)果
Fig.7 Finite element simulation results of energy dissipation brace

三種節(jié)點有限元模擬應力云圖及荷載(F/kN)—位移(U/mm)曲線如圖8～圖11所示。

從圖8～圖11以及表2可以得出，圖8(b)為傳統(tǒng)的梁柱節(jié)點滯回曲線，與YXJD相比，耗能隅撐節(jié)點滯回曲線明顯更加飽滿，這表明當耗能隅撐結(jié)構(gòu)達到屈服位移后節(jié)點中的耗能隅撐部分先行屈服，并進行耗能，保護梁柱節(jié)點不受破壞，此時梁柱并未屈服，當位移達到梁柱屈服位移后，耗能節(jié)點再次屈服；GJJD與JJJD構(gòu)件當耗能隅撐芯材處于彈性階段時，荷載—位移曲線呈現(xiàn)線性變化，滯回曲線的形狀近似為一條直線，剛度無明顯退化，節(jié)點整體處于彈性階段。隨著循環(huán)荷載的增加，耗能隅撐芯材部位出現(xiàn)屈服，滯回曲線包絡的面積逐漸增大，構(gòu)件剛度出現(xiàn)明顯退化，節(jié)點進入彈塑性階段。

(a) YXJD應力云圖

(b) YXJD滯回曲線

圖8 YXJD有限元模擬結(jié)果
Fig.8 YXJD Finite element simulation resulte

(a) JJJD應力云圖

(b) JJJD滯回曲線

圖9 JJJD有限元模擬結(jié)果
Fig.9 JJJD Finite element simulation result

(a) GJJD應力云圖

(b) GJJD滯回曲線

圖10 GJJD有限元模擬結(jié)果
Fig.10 GJJD Finite element simulation results

圖11 三種節(jié)點滯回曲線對比Fig.11 Comparison of three kinds of node hysteretic curves

3 耗能能力分析

3.1 骨架曲線

將三種鋼框架節(jié)點在循環(huán)荷載作用下的荷載(F/kN)—位移(U/mm)曲線各級循環(huán)荷載的第一次的峰值點連接起來得到其骨架曲線[15]。YXJD和增設耗能隅撐結(jié)構(gòu)的GJJD、JJJD骨架曲線如圖12所示，可以看出，在梁柱節(jié)點處耗能隅撐的增設對節(jié)點極限承載力和剛度均有不同程度的增大，其中GJJD提供的剛度和承載力最大，而且比較穩(wěn)定。JJJD極限承載力比前述節(jié)點較差，但同樣明顯優(yōu)于YXJD，表明其良好的耗能能力。

3.2 剛度退化曲線

剛度退化是指隨著荷載不斷反復，位移(U/mm)的不斷增大而結(jié)構(gòu)的剛度(K)開始逐漸降低的過程，它反映了結(jié)構(gòu)體系的彈塑性變化過程和結(jié)構(gòu)剛度的退化程度[16]。

通過圖13可以看出，GJJD的初始剛度(K0)較其他結(jié)構(gòu)偏小較多，體現(xiàn)出耗能隅撐不同布置方式對結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度影響較大。各耗能隅撐鋼框架在很小位移時就有剛度退化，且退化幅度較大，主要是由于耗能隅撐的屈服位移很小，結(jié)構(gòu)的剛度隨著耗能隅撐發(fā)生塑性變形而降低。在一定位移的加載范圍內(nèi)，GJJD的剛度大于其他兩種模型，剛度退化過程也較為穩(wěn)定，證明了該耗能隅撐總體布置對結(jié)構(gòu)剛度的提高和穩(wěn)定貢獻較大。通過對比三種節(jié)點剛度退化曲線可以看出，增設耗能隅撐構(gòu)件的GJJD的整體剛度明顯大于原型結(jié)構(gòu)，JJJD與YXJD剛度相差不大。

圖12 三種節(jié)點骨架曲線
Fig.12 Skeleton curves of three kinds of nodes

圖13 三種剛度退化曲線
Fig.13 Three types of stiffness degradation curves

3.3 等效粘滯阻尼系數(shù)與能力耗散系數(shù)

計算三種節(jié)點鋼框架的的等效粘滯阻尼系數(shù)he和能力耗散系數(shù)E，運用這兩個參數(shù)來評估各框架的耗能能力。等效粘滯阻尼系數(shù)和能力耗散系數(shù)越大，表明結(jié)構(gòu)的耗能能力越優(yōu)良。取梁柱屈服后4倍屈服位移對應的滯回環(huán)計算上述兩種系數(shù)，見表3。

表3 耗能隅撐節(jié)點耗能參數(shù)Tab.3 Energy dissipation parameters of energy dissipation braced joints

從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，布設有耗能隅撐構(gòu)件的鋼框架節(jié)點的等效粘滯阻尼系數(shù)均高于YXJD，表明耗能隅撐的布置位置在一定程度影響了結(jié)構(gòu)的耗能能力，并且模型GJJD具有最優(yōu)的耗能能力。

根據(jù)三種節(jié)點的骨架曲線、剛度退化曲線、等效粘滯阻尼系數(shù)及能量耗散系數(shù)可以看出，GJJD和JJJD的承載能力和剛度均大于YXJD，兩種好拿給你隅撐節(jié)點具有更好的抗震性能，耗能隅撐的布設能夠有效的提高傳統(tǒng)節(jié)點的極限承載力和改善其耗能能力，在地震作用下更加能夠發(fā)揮作用，在抗震設計中具有良好的應用前景。

4 結(jié)論

① 進行耗能隅撐節(jié)點設計時：耗能隅撐沿梁柱節(jié)點45°布設，耗能隅撐在梁上的偏心距為0.38，耗能隅撐的剛度與梁截面的剛度比值為0.06。

② 采用布設耗能隅撐的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點，在小震作用下，耗能隅撐的布置在滿足鋼結(jié)構(gòu)抗側(cè)移要求的前提下能有效提高節(jié)鋼框架的抗側(cè)剛度；在大震作用下，耗能隅撐芯材先于梁柱屈服，通過其塑性變形消耗地震產(chǎn)生的能量，解決了傳統(tǒng)設計節(jié)點利用框架梁塑性變形消耗地震產(chǎn)生能量的缺點。

③ 耗能隅撐剛接節(jié)點和耗能隅撐鉸接節(jié)點的承載能力、剛度、抗震性能均優(yōu)于普通梁柱剛接節(jié)點，其中，梁柱剛接耗能隅撐節(jié)點具有“雙保險”的性能。梁柱鉸接耗能隅撐節(jié)點連接方法優(yōu)于傳統(tǒng)梁柱剛接節(jié)點，符合裝配式的安裝要求，可替代傳統(tǒng)的連接方法。

④ 耗能隅撐構(gòu)件的增設能改善鋼框架結(jié)構(gòu)的受力性能和耗能能力，明確受力方式。其布設方便，不影響建筑空間和震后易于更換修復是其更大的優(yōu)勢所在。