蜂窩式可替換塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能

李曉東，閆胤積

(蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050)

0 引 言

鋼框架結(jié)構(gòu)中最重要的組成部分之一是梁柱連接節(jié)點(diǎn)，美國(guó)北嶺地震和日本阪神地震的震害調(diào)查顯示，在梁柱節(jié)點(diǎn)處發(fā)現(xiàn)了大量的脆性裂縫[1-2]。因此研究人員對(duì)鋼框架梁柱連接節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理、抗震性能以及設(shè)計(jì)方法等方面進(jìn)行了廣泛研究，并取得了許多研究成果。當(dāng)前關(guān)于梁柱節(jié)點(diǎn)的研究主要是采取加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的方法或在梁上容易出現(xiàn)塑性鉸的位置進(jìn)行局部削弱。在地震作用時(shí)，把塑性鉸區(qū)從梁柱翼緣相交的焊縫處外移，避免焊縫發(fā)生脆性破壞，符合“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)思想。

張愛(ài)林等[3]提出了一種可修復(fù)的裝配式鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)，利用翼緣連接蓋板上的變形來(lái)消耗地震能量。在震后只需要更換連接蓋板即可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的快速修復(fù)。李玉順等[4]對(duì)鋼-竹組合梁柱節(jié)點(diǎn)的性能進(jìn)行了探究，研究結(jié)果表明鋼-竹組合框架滯回曲線飽滿，抗震性能突出。鄭宏等[5]研究表明，翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)可使梁端塑性鉸外移至梁端翼緣削弱處，避免梁端焊縫處應(yīng)力集中導(dǎo)致脆性破壞。劉秀麗等[6]對(duì)鋼結(jié)構(gòu)T形連接件進(jìn)行試驗(yàn)及有限元研究，比較了T形連接件構(gòu)造參數(shù)變化對(duì)高強(qiáng)螺栓力學(xué)性能的影響，并對(duì)高強(qiáng)度螺栓受力進(jìn)行數(shù)值模擬。郁有升等[7-10]的試驗(yàn)結(jié)果表明，梁翼緣削弱節(jié)點(diǎn)具有良好的塑性變形能力和耗能性能，將梁翼緣進(jìn)行適當(dāng)削弱后形成的骨型節(jié)點(diǎn)可以增加梁柱節(jié)點(diǎn)的耗能性能，是一種理想的延性節(jié)點(diǎn)。

李曉東等[11]提出了一種基于摩擦擺隔震支座和汽車制動(dòng)裝置的耗能原理的新型摩擦塑性鉸節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行了有限元模型的低周反復(fù)荷載分析，探究了新型摩擦塑性鉸節(jié)點(diǎn)的抗震性能。黃炳生等[12]提出了工程中常用的幾種孔型蜂窩梁等效抗彎剛度求解方法。賈連光等[13-15]對(duì)不同參數(shù)下的正六邊形孔蜂窩梁和蜂窩組合梁抗剪性能進(jìn)行了試驗(yàn)與有限元分析研究。

以上研究有效地實(shí)現(xiàn)塑性鉸的外移，轉(zhuǎn)移了梁柱節(jié)點(diǎn)焊縫處的應(yīng)力，但存在震后難以修復(fù)的缺陷。本文基于目前的研究現(xiàn)狀，提出了一種蜂窩式可替換塑性鉸的概念及節(jié)點(diǎn)形式，以期增加節(jié)點(diǎn)的耗能能力和延性，并兼顧震后可替換的要求。該新型節(jié)點(diǎn)通過(guò)蜂窩式單元的六邊形耗能環(huán)消耗地震能量，且在地震作用后，可通過(guò)整體更換蜂窩式單元，實(shí)現(xiàn)中震可修的抗震設(shè)防目標(biāo)。

1 塑性鉸構(gòu)造設(shè)計(jì)

蜂窩式可替換塑性鉸節(jié)點(diǎn)分為基本單元和蜂窩式單元2個(gè)部分，基本單元由H型鋼梁和H型鋼柱組成。蜂窩式單元由六邊形的蜂窩式耗能環(huán)和H型鋼梁組成，蜂窩式耗能環(huán)通過(guò)焊接嵌在H型鋼梁腹板間，蜂窩式單元通過(guò)拼接板和高強(qiáng)螺栓分別與左右H型鋼梁栓接。蜂窩式可替換塑性鉸節(jié)點(diǎn)通過(guò)調(diào)整蜂窩式耗能環(huán)的寬度和厚度來(lái)改變節(jié)點(diǎn)的耗能能力，其節(jié)點(diǎn)詳圖如圖1(a)所示，蜂窩式耗能環(huán)三維視圖如圖1(b)所示。

2 有限元模型

2.1 模型基本信息

利用有限元分析軟件ABAQUS建立了節(jié)點(diǎn)三維模型，所有有限元模型中梁柱均為焊接H型鋼，柱截面為H300×200×8×12，柱高取1 500 mm。梁截面為H250×175×7×11，梁長(zhǎng)取1 200 mm。其中7個(gè)蜂窩式可替換塑性鉸節(jié)點(diǎn)模型從梁柱焊縫150 mm起為蜂窩式單元(可替換梁段)，此單元梁截面為H272×175×7×11，梁腹板長(zhǎng)L取480 mm(考慮拼接板螺栓間距，可替換梁段腹板長(zhǎng)度范圍為480 mm≤L≤600 mm，梁翼緣長(zhǎng)度滿足螺栓連接所規(guī)定的間距即可),梁翼緣長(zhǎng)取622 mm。蜂窩式單元梁翼緣與左右梁翼緣通過(guò)螺栓連接，螺栓采用8.8級(jí)M14摩擦型高強(qiáng)螺栓，共32個(gè)。蜂窩式單元梁腹板與左右梁腹板通過(guò)螺栓和拼接板連接，螺栓采用8.8級(jí)M16摩擦型高強(qiáng)螺栓，共16個(gè)。螺栓預(yù)緊力取80 kN，最大程度模擬實(shí)際環(huán)境。拼接板尺寸為208 mm×112 mm×7 mm，有限元模型如圖2(a)所示。

普通梁柱節(jié)點(diǎn)模型(JZHN)腹板無(wú)削弱，其余條件均與其他節(jié)點(diǎn)模型相同，有限元模型如圖2(b)所示。腹板開(kāi)六邊形孔型削弱型節(jié)點(diǎn)模型(JZHL)取蜂窩式塑性鉸節(jié)點(diǎn)模型中間六邊形的尺寸及位置，其余條件均與其他節(jié)點(diǎn)模型相同，有限元模型如圖2(c)所示。腹板開(kāi)圓孔型削弱型節(jié)點(diǎn)模型(JZHY)與腹板開(kāi)六邊形孔型削弱型節(jié)點(diǎn)模型(JZHL)區(qū)別在于削弱孔型不同，其余條件均與其他節(jié)點(diǎn)模型相同。JZHY有限元模型如圖2(d)所示。

2.2 模型參數(shù)及加載條件

有限元分析模型采用三維八節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元(C3D8R)劃分網(wǎng)格。為了減小模型網(wǎng)格劃分造成的計(jì)算結(jié)果誤差，對(duì)螺栓孔、蜂窩式耗能環(huán)及蜂窩式單元腹板等重點(diǎn)研究部位采取了局部網(wǎng)格細(xì)化的措施。計(jì)算時(shí)忽略了節(jié)點(diǎn)焊接缺陷及焊接殘余應(yīng)力的影響。有限元模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

模型中除高強(qiáng)螺栓外其余構(gòu)件材料均為Q345B鋼。材料的彈性模量取206 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg·m-3。鋼材應(yīng)力-應(yīng)變(f-ε)本構(gòu)關(guān)系選取強(qiáng)化和下降段三折線模型，如圖4所示，其中，fy為屈服應(yīng)力，fu為極限應(yīng)力，fst為鋼材破壞時(shí)的應(yīng)力，εy為屈服應(yīng)變，εu為極限應(yīng)變，εst為鋼材破壞時(shí)的應(yīng)變。高強(qiáng)螺栓的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系采用圖5所示的三段式折線模型[16]。模型中螺栓通過(guò)邊界條件的Bolt Load定義螺栓的預(yù)應(yīng)力。螺栓的接觸屬性：法向行為采用硬接觸，切向行為為摩擦，摩擦因數(shù)大小取決于材料的種類、粗糙度、表面處理和連接表面的脫脂。這里摩擦因數(shù)取0.25，最大程度模擬實(shí)際環(huán)境。其余接觸面均采用Tie定義焊接面剛接約束。

為了充分探究蜂窩式可替換塑性鉸節(jié)點(diǎn)的耗能能力，在蜂窩式耗能環(huán)半徑固定的情況下，設(shè)計(jì)了7個(gè)蜂窩式可替換塑性鉸節(jié)點(diǎn)、1個(gè)普通梁柱節(jié)點(diǎn)模型、1個(gè)腹板開(kāi)圓孔型削弱型節(jié)點(diǎn)模型、1個(gè)腹板開(kāi)六邊形孔型削弱型節(jié)點(diǎn)模型。7個(gè)蜂窩式可替換塑性鉸節(jié)點(diǎn)分為兩大類：第1類為保持蜂窩式耗能環(huán)寬度不變，逐步增加蜂窩式耗能環(huán)的厚度；第2類為保持蜂窩式耗能環(huán)厚度不變，以腹板厚度的倍數(shù)增加蜂窩式耗能環(huán)的寬度。設(shè)置1個(gè)普通梁柱節(jié)點(diǎn)模型是為了對(duì)比腹板削弱和不削弱對(duì)節(jié)點(diǎn)耗能能力的影響；設(shè)置1個(gè)腹板開(kāi)圓孔型削弱型節(jié)點(diǎn)模型和1個(gè)腹板開(kāi)六邊形孔型削弱型節(jié)點(diǎn)模型是為了對(duì)比2種典型的腹板削弱開(kāi)孔類型對(duì)節(jié)點(diǎn)耗能能力的影響。各節(jié)點(diǎn)編號(hào)及參數(shù)如表1所示。

表1 模型的主要參數(shù)Tab.1 Primary Parameters of Models

在有限元模型中，根據(jù)試驗(yàn)邊界將柱頂與柱底節(jié)點(diǎn)6個(gè)方向的自由度進(jìn)行完全約束模擬。采用耦合約束方式在梁自由端進(jìn)行位移加載，加載方式為滯回加載，梁端加載點(diǎn)距離柱翼緣的距離為1 200 mm，加載過(guò)程分為:①施加螺栓預(yù)緊力；②在梁端主耦合點(diǎn)施加位移荷載。加載制度如圖6所示。

3 模型計(jì)算結(jié)果與抗震性能分析

3.1 破壞特征

隨著有限元模型梁自由端加載位移的增大，7個(gè)蜂窩式可替換塑性鉸節(jié)點(diǎn)模型的蜂窩式耗能環(huán)、蜂窩式單元腹板、蜂窩式單元翼緣等部位均受到不同程度的屈服破壞；節(jié)點(diǎn)JZHH5整體應(yīng)力云圖如圖7所示。首先蜂窩式單元腹板屈服，其次翼緣發(fā)生屈曲，最后腹板開(kāi)孔孔角處發(fā)生破壞，其中節(jié)點(diǎn)JZHH5蜂窩式單元應(yīng)力云圖如圖8所示。蜂窩式耗能環(huán)屈服變形，相鄰蜂窩式耗能環(huán)連接處變形嚴(yán)重。節(jié)點(diǎn)JZHH5蜂窩式耗能環(huán)應(yīng)力云圖如圖9所示。其余節(jié)點(diǎn)的破壞特征與節(jié)點(diǎn)JZHH5的破壞特征相似。

普通梁柱節(jié)點(diǎn)模型(JZHN)在梁柱焊縫處破壞較大，梁翼緣變形，其應(yīng)力云圖如圖10所示；腹板開(kāi)圓孔型削弱型節(jié)點(diǎn)模型(JZHY)在開(kāi)孔處腹板和翼緣變形，其應(yīng)力云圖如圖11所示；腹板開(kāi)六邊形孔型削弱型節(jié)點(diǎn)模型(JZHL)在開(kāi)孔處腹板和翼緣變形，開(kāi)孔處上下腹板變形嚴(yán)重，其應(yīng)力云圖如圖12所示。

3.2 滯回曲線

節(jié)點(diǎn)在往復(fù)位移荷載作用下獲得的荷載-位移關(guān)系曲線為滯回曲線，可綜合評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)抗震性能。滯回環(huán)越飽滿，表明節(jié)點(diǎn)耗散地震能量的能力越強(qiáng)，抗震性能越好。有限元節(jié)點(diǎn)模型的滯回曲線如圖13所示，普通梁柱節(jié)點(diǎn)模型(JZHN)、腹板開(kāi)圓孔型削弱型節(jié)點(diǎn)模型(JZHY)、腹板開(kāi)六邊形孔型削弱型節(jié)點(diǎn)模型(JZHL)的滯回曲線如圖13(a)所示。圖13(b)為增加蜂窩式耗能環(huán)厚度(JZHH系列)的滯回曲線，圖13(c)為增加蜂窩式耗能環(huán)寬度(JZHK系列)的滯回曲線。

由如圖13滯回曲線可知：

(1)普通梁柱節(jié)點(diǎn)模型(JZHN)、腹板開(kāi)圓孔型削弱型節(jié)點(diǎn)模型(JZHY)、腹板開(kāi)六邊形孔型削弱型節(jié)點(diǎn)模型(JZHL)的滯回環(huán)面積依次增大，節(jié)點(diǎn)耗能能力依次增強(qiáng)。因此腹板開(kāi)六邊形孔型削弱型節(jié)點(diǎn)模型耗能能力相對(duì)較強(qiáng)，在以下研究中重點(diǎn)開(kāi)展腹板開(kāi)六邊形孔型削弱型節(jié)點(diǎn)的研究。

(2)7個(gè)蜂窩式可替換塑性鉸節(jié)點(diǎn)模型的荷載-位移曲線比較類似，滯回環(huán)面積較大，形狀比較飽滿。說(shuō)明此類型節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載試驗(yàn)中能較好地吸收地震能量。各節(jié)點(diǎn)的滯回曲線呈弓形，形狀上具有“捏縮”效應(yīng)，顯示出滯回曲線受到了一定的滑移影響。這是由于蜂窩式單元腹板上的蜂窩式耗能環(huán)孔削弱了腹板截面，導(dǎo)致剪切變形增大。

3.3 骨架曲線

骨架曲線是把滯回曲線在往復(fù)位移加載2個(gè)方向的加載極值點(diǎn)依次連接而成的包絡(luò)圖。骨架曲線反映了節(jié)點(diǎn)模型在各不同階段的受力和變形特征。由圖14可知：在其他條件不變的情況下，增加蜂窩式耗能環(huán)厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)的峰值荷載有影響，但影響不大；增加蜂窩式耗能環(huán)寬度對(duì)節(jié)點(diǎn)的峰值荷載影響幾乎不變。在位移達(dá)到±12 mm后，骨架曲線由直線變?yōu)榍€，且各曲線逐漸開(kāi)始分離，但由于梁自由端位移加載限制在50 mm，使得骨架曲線在曲線段分離不明顯。當(dāng)梁自由端豎向位移達(dá)到±50 mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)達(dá)到峰值荷載。

3.4 剛度退化曲線

剛度退化是結(jié)構(gòu)抗震性能及結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的重要指標(biāo)。滯回曲線上坐標(biāo)原點(diǎn)與某次循環(huán)的荷載峰值(骨架曲線上的點(diǎn))連線的斜率稱為節(jié)點(diǎn)的等效剛度。等效剛度隨位移不斷增大而降低的現(xiàn)象稱為等效剛度退化，簡(jiǎn)稱剛度退化。滯回環(huán)中每次循環(huán)的等效剛度與初始等效剛度的比值即為等效剛度退化系數(shù)[17]。將每一個(gè)節(jié)點(diǎn)滯回曲線的剛度退化系數(shù)的數(shù)值相連即可得到如圖15所示的剛度退化曲線。

圖15顯示出各節(jié)點(diǎn)剛度退化均較均勻，無(wú)明顯突變現(xiàn)象。節(jié)點(diǎn)在正負(fù)2個(gè)方向上的剛度退化趨勢(shì)大致相同，圖15中水平段表示骨架曲線的彈性階段，表明剛度在彈性階段基本保持穩(wěn)定。當(dāng)節(jié)點(diǎn)屈服后，單位位移上剛度退化系數(shù)急劇下降，表明節(jié)點(diǎn)塑性變形能力增大。當(dāng)單位位移上剛度退化系數(shù)下降變緩慢時(shí)，表明剛度退化減緩。

3.5 延性性能

節(jié)點(diǎn)耗散地震能量和承受非彈性變形的能力由延性決定，延性越好節(jié)點(diǎn)抗震性能越好。延性的大小由位移延性系數(shù)來(lái)衡量，為了研究節(jié)點(diǎn)的延性變化規(guī)律，采用位移延性系數(shù)作為節(jié)點(diǎn)的延性指標(biāo)。位移延性系數(shù)用μ來(lái)表示，是結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件的極限位移Δu與屈服位移Δy的比值，計(jì)算公式如下

(1)

一般情況下極限位移取荷載下降到峰值荷載85%時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移[18-19]，但是一些結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的荷載并未達(dá)到峰值荷載的85%以下，此時(shí)可以選取峰值荷載對(duì)應(yīng)的位移作為極限位移[20]，因節(jié)點(diǎn)未進(jìn)入塑性破壞階段，分析已經(jīng)停止，所以選取峰值荷載對(duì)應(yīng)的位移作為極限位移。通過(guò)分析擬靜力結(jié)果得到的節(jié)點(diǎn)延性性能指標(biāo)如表2所示。

表2 節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)Tab.2 Ductility Coefficients of Joints

由表2可知，節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)隨著蜂窩式耗能環(huán)厚度的增大而增大。說(shuō)明隨著蜂窩式耗能環(huán)厚度的增大，節(jié)點(diǎn)屈服后的變形能力和承載能力顯著提高。節(jié)點(diǎn)JZHH10，JZHH15的節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)整體比JZHK系列節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)大，說(shuō)明增加節(jié)點(diǎn)蜂窩式耗能環(huán)厚度比增加蜂窩式耗能環(huán)寬度更能使節(jié)點(diǎn)屈服后變形能力和承載能力提高。

為了使節(jié)點(diǎn)在屈服后具備較大的塑性變形能力，使節(jié)點(diǎn)不至于快速喪失承載能力，需要使蜂窩式耗能環(huán)厚度增大。節(jié)點(diǎn)延性指標(biāo)均超過(guò)了3.0，表明節(jié)點(diǎn)屈服后變形能力和承載能力保持較好的狀態(tài)。

3.6 塑性耗能曲線

本文通過(guò)耗能曲線來(lái)比較節(jié)點(diǎn)的耗能能力。圖16(a)顯示節(jié)點(diǎn)JZHH10比節(jié)點(diǎn)JZHH15的耗能能力大，具體原因?yàn)楣?jié)點(diǎn)JZHH5在節(jié)點(diǎn)屈服后變形能力和承載能力喪失，故耗能能力不大。圖16(b)顯示相同分析步內(nèi)節(jié)點(diǎn)耗能能力幾乎相同。增加蜂窩式耗能環(huán)寬度對(duì)節(jié)點(diǎn)耗能能力影響不大。

圖16(c)是將節(jié)點(diǎn)JZHH5與節(jié)點(diǎn)JZHK21對(duì)比，結(jié)果顯示節(jié)點(diǎn)JZHK21耗能能力大。圖16(d)是將節(jié)點(diǎn)JZHH10與節(jié)點(diǎn)JZHK35對(duì)比，結(jié)果顯示節(jié)點(diǎn)JZHH10耗能能力大。說(shuō)明增加蜂窩式耗能環(huán)厚度比增加蜂窩式耗能環(huán)寬度節(jié)點(diǎn)的耗能能力增加更為顯著。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)本文提出的蜂窩式可替換塑性鉸節(jié)點(diǎn)的滯回曲線較飽滿，具有良好的耗能能力。

(2)節(jié)點(diǎn)屈服后變形能力和承載能力保持較好的狀態(tài)。相對(duì)于增加蜂窩式耗能環(huán)寬度來(lái)說(shuō)，增加蜂窩式耗能環(huán)厚度更能提高節(jié)點(diǎn)屈服后的變形能力和承載能力。

(3)該類型節(jié)點(diǎn)的蜂窩式耗能環(huán)在加載過(guò)程中容易發(fā)生屈曲變形，需要在之后的研究中改進(jìn)。