低周反復(fù)加載作用下工業(yè)貨架梁柱節(jié)點(diǎn)性能退化的數(shù)值分析

黃晨宇　李陳民軍　黃曦　吳夢　呂志軍

摘要：? 為評估在地震等強(qiáng)沖擊載荷作用下工業(yè)貨架橫梁與立柱掛齒式連接梁柱節(jié)點(diǎn)的性能退化情況，基于低周反復(fù)加載試驗(yàn)，建立鋼結(jié)構(gòu)貨架梁柱節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力仿真模型，以滯回耗能能力和延性系數(shù)為指標(biāo)，對梁柱節(jié)點(diǎn)的退化性能進(jìn)行數(shù)值分析。結(jié)果表明，連接形式對節(jié)點(diǎn)的抗震性能影響最為明顯，其次是掛片焊接位置、厚度和安裝間隙。

關(guān)鍵詞：? 鋼結(jié)構(gòu); 貨架; 梁柱節(jié)點(diǎn); 性能退化; 節(jié)點(diǎn)參數(shù)

中圖分類號：? TU392.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：? B

Numerical analysis of performance degradation of

industrial rack beam-column joint

under low-cycle reversed loading

HUANG ChenyuLI Chenminjun HUANG Xi WU Meng LYU Zhijun

（1. School of Mechanical Engineering， Donghua University， Shanghai 201620， China;

2. Shanghai Jingxing Storage Equipment Engineering Co.， Ltd.， Shanghai 201611， China;

3. Shanghai Aircraft Manufacturing Co.， Ltd.， Shanghai 200443， China）

Abstract： To evaluate the performance degradation of hanging-tooth connection beam-column joints between the cross beam and column of the industrial rack under strong impact load such as earthquake， the restoring force simulation model of steel rack beam-column joints is established based on the low cycle reversed loading test. The hysteretic energy dissipation capacity and ductility coefficient are taken as indexes， and then the degradation behavior of beam-column joints is numerically analyzed. The results show that the connection type has the most obvious influence on the seismic performance of the joint， and the second one is the hanging piece welding position， thickness and installation clearance.

Key words： steel structure; rack; beam-column joint; performance degradation; joint parameter

基金項(xiàng)目：? 上海市工程技術(shù)研究中心能力提升計(jì)劃（17DZ2283800）

作者簡介： 黃晨宇（1997—），男，壯族，廣西南寧人，碩士研究生，研究方向?yàn)槲锪鱾}儲設(shè)備的有限元分析，（E-mail）934460163@qq.com0引言

與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)建筑相比，冷彎型薄壁鋼工業(yè)貨架的載重大多來自托盤貨載，其主要承重構(gòu)件立柱多為開孔薄壁截面。冷彎型鋼材屈服點(diǎn)較高，但延性較差，其梁柱節(jié)點(diǎn)多為半剛性掛齒式機(jī)械連接，滯回特征表現(xiàn)為強(qiáng)非線性和捏攏滑移特性[1-2]。工業(yè)貨架通常在沿巷道方向?yàn)闊o輔助支撐設(shè)計(jì)以方便貨物存取，因而其穩(wěn)定性主要取決于橫梁與立柱掛齒式連接的梁柱節(jié)點(diǎn)，冷作硬化效應(yīng)雖然可以提高薄壁型鋼材的屈服點(diǎn)，但降低其延展性。梁柱節(jié)點(diǎn)是貨架結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵構(gòu)件，在地震等強(qiáng)沖擊過程中，梁柱節(jié)點(diǎn)常發(fā)生脆性斷裂或性能退化，可能引發(fā)貨架連續(xù)性垮塌，即貨架整體結(jié)構(gòu)的破壞多由梁柱節(jié)點(diǎn)的脆性斷裂或性能退化導(dǎo)致[3]，其抗震性能和性能退化后的安全性至關(guān)重要。

國內(nèi)外針對薄壁鋼梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的研究較多。CLAUDIO等[4]采用非線性時(shí)間歷程分析和低周疲勞損傷方法重現(xiàn)梁柱節(jié)點(diǎn)的循環(huán)行為，研究其損傷分布和震后的有效承載能力。YIN等[5]采用懸臂梁試驗(yàn)方法對帶有附加螺栓的新型梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)加載試驗(yàn)，考察其失效模式、承載能力和耗能能力。戴明明等[6]對4種冷彎薄壁C形鋼桁架梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，分析其節(jié)點(diǎn)的滯回特性、承載能力等，并對比不同類型節(jié)點(diǎn)的耗能能力。

由于薄壁鋼貨架的設(shè)計(jì)和制造缺乏尺寸和形式的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家生產(chǎn)的薄壁鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件型號繁多、節(jié)點(diǎn)連接形式多樣，各種組合形式下的梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能各異，難以對每種節(jié)點(diǎn)逐一進(jìn)行分析評估。因此，本文選取掛片厚度、掛片間隙、連接形式、摩擦因數(shù)等參數(shù)，通過控制單一變量，分析各參數(shù)改變對節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，進(jìn)而研究不同類型梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的優(yōu)劣。

1梁柱節(jié)點(diǎn)低周反復(fù)加載試驗(yàn)

梁柱節(jié)點(diǎn)是鋼結(jié)構(gòu)貨架的重要組成部分，其主要功能是將立柱與橫梁連接為一體，其抗震性能對貨架整體結(jié)構(gòu)動態(tài)性能有很大影響。梁柱節(jié)點(diǎn)的主要部件包括立柱、掛片和橫梁等，具體結(jié)構(gòu)見圖1。采用懸臂梁試驗(yàn)平臺進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)并獲取滯回特征曲線，是梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能研究的基礎(chǔ)[7]。

1.1試驗(yàn)過程

試驗(yàn)裝置、測試現(xiàn)場分別見圖2（a）和2（b），加載點(diǎn)到立柱翼緣表面的距離為400 mm[8]。首先加載裝置預(yù)先對橫梁施加載荷（該預(yù)載荷為預(yù)期失效載荷的10%），再卸載;然后負(fù)載逐漸增加，直到失效;最后利用數(shù)據(jù)采集卡記錄位移傳感器和壓力傳感器測得的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)處理，生成M-θ曲線。

1.2誤差修正

受加工精度的影響，樣件裝配時(shí)掛片與立柱間的配合可能出現(xiàn)誤差，懸臂梁一端會因重力而發(fā)生下沉，見圖2（c）。經(jīng)測算，M100系列梁柱節(jié)點(diǎn)樣件下沉約12 mm，M120系列樣件下沉約3 mm。數(shù)據(jù)處理時(shí)，將試驗(yàn)1和2負(fù)向加載的位移數(shù)據(jù)分別減少12和3 mm，以減少橫梁下沉帶來的誤差。

2仿真模型及其性能退化指標(biāo)

因?yàn)樵囼?yàn)過程較復(fù)雜，且考慮到測試成本和計(jì)算精度，所以建立梁柱節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力仿真模型進(jìn)行分析。根據(jù)企業(yè)圖紙，建立M120和M100型號立柱、B80和B100型號橫梁以及三爪掛片的三維模型，并將其導(dǎo)入Ansys Workbench中進(jìn)行有限元分析。

2.1有限元仿真模型建立

梁柱節(jié)點(diǎn)組合中各構(gòu)件的材料參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[9]設(shè)置，材料均為Q235鋼，其彈性模量E=2×10¹¹Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m³，屈服強(qiáng)度為235 MPa。

橫梁與掛片間為焊接，設(shè)置為綁定接觸。掛片與3個(gè)鉚釘之間為綁定，掛片2個(gè)內(nèi)表面與立柱側(cè)面，以及鉚釘與立柱孔之間均為摩擦接觸，其接觸行為為完全對稱接觸，接觸方程使用罰剛度法[10]。

梁上、下兩端的加載板采用四邊形主導(dǎo)法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型整體采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分。四面體和面的最大尺寸設(shè)置為5 mm，最小尺寸設(shè)置為1 mm。使用偏斜度檢查網(wǎng)格質(zhì)量，大多數(shù)六面體單元的偏度值在0～0.13，幾乎所有三角形和四面體單元的偏度值都小于0.50，說明網(wǎng)格質(zhì)量較好。

立柱的上、下端設(shè)置為固定;橫梁在套筒及掛片焊接的約束下只可以上下擺動，因此約束橫梁Z方向的自由度。作用力參照ANSI MH16.1[11]進(jìn)行設(shè)置，加載點(diǎn)與立柱翼緣表面之間的距離為400 mm，樣件載荷為每級1 000 N，屈服前循環(huán)2次;屈服后循環(huán)1次，具體情況見圖3。

2.2失效模式與滯回曲線

在低周反復(fù)加載下，梁柱節(jié)點(diǎn)受力變形情況見圖4。觀察橫梁應(yīng)力與應(yīng)變發(fā)現(xiàn)，3個(gè)鉚釘之間會相互限制轉(zhuǎn)動自由度，因此未發(fā)生明顯的鉚釘沿立柱孔軸線方向的轉(zhuǎn)動，鉚釘外壁與立柱孔內(nèi)壁之間切線方向相互作用力較小，法向作用力較大。在橫梁下壓過程中，掛片上側(cè)與立柱側(cè)壁分離，下側(cè)與立柱側(cè)壁貼合并傳遞力，3個(gè)鉚釘對立柱孔的擠壓力方向不同，中間孔所受擠壓力較小，上下孔所受的擠壓力方向相反;當(dāng)橫梁上抬時(shí)，情況相反。

反復(fù)加載下橫梁的滯回曲線見圖5。該滯回曲線較為飽滿，且可以顯示出捏攏滑移特性，符合鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的滯回特征。

2.3仿真模型驗(yàn)證

對比梁柱節(jié)點(diǎn)仿真分析結(jié)果與物理試驗(yàn)結(jié)果，二者破壞形式大致相同。在循環(huán)載荷作用下，立柱孔洞因鉚釘?shù)睦瓑鹤饔枚冃?，掛片也出現(xiàn)明顯變形（見圖6）。提取試驗(yàn)和仿真滯回曲線中每個(gè)滯回環(huán)的頂點(diǎn)，形成骨架曲線，見圖7。對比發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的骨架曲線基本一致。在循環(huán)加載的最后部分，個(gè)別點(diǎn)的差異較大，原因可能是在試驗(yàn)中梁柱節(jié)點(diǎn)中的鉚釘因受力過大發(fā)生松動，仿真中鉚釘只會變形，不會因過度張力與掛片分離。

2.4梁柱節(jié)點(diǎn)能退化指標(biāo)

滯回曲線又名復(fù)力曲線，常用于描述低周反復(fù)作用力下載荷與變形之間的非線性映射關(guān)系，其中滯回曲線面積代表在循環(huán)加載過程中構(gòu)件消耗的能量，即滯回耗能能力。

位移延性系數(shù)通常定義為極限位移與屈服位移之比，可以采用等能量法通過骨架曲線計(jì)算屈服位移Xy，結(jié)構(gòu)的極限位移Xu取載荷下降至極限載荷85%時(shí)的位移，當(dāng)骨架曲線無明顯下降段時(shí)可取極限載荷所對應(yīng)的位移作為極限位移，即μ=Xu/Xy? ? ? ? ? ? ? ? （1）3節(jié)點(diǎn)參數(shù)對性能退化的影響

梁柱節(jié)點(diǎn)組合形式眾多，難以對所有組合都詳盡分析，因此采用單一變量的方式，選取可能影響梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的典型參數(shù)（如掛片厚度、裝配間隙、橫梁焊接位置和有無螺栓等，具體見表1），研究每個(gè)參數(shù)對節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。表 1梁柱節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置模型序號掛片厚度/mm間隙/mm橫梁焊接位置/mm有無螺栓摩擦因數(shù)A-1（標(biāo)準(zhǔn)）4132（上部）無0.15A-25132（上部）無0.15A-36132（上部）無0.15B-1（標(biāo)準(zhǔn)）4132（上部）無0.15B-24232（上部）無0.15C-1（標(biāo)準(zhǔn)）4132（上部）無0.15C-24148（中部）無0.15C-34164（下部）無0.15D-1（標(biāo)準(zhǔn)）4132（上部）無0.15D-24132（上部）有0.15E-1（標(biāo)準(zhǔn)）4132（上部）無0.15E-24132（上部）無0.3E-34132（上部）無無摩擦E-44132（上部）無綁定

3.1滯回耗能能力對比

提取滯回曲線最后一環(huán)，利用Origin軟件計(jì)算曲線面積，即為耗能能力，結(jié)果見表2。差值率為對比標(biāo)準(zhǔn)件增減量的百分比，可以表示參數(shù)改變所帶來的影響。根據(jù)表2中A組模型數(shù)據(jù)可知，掛片厚度為4和5 mm的情況下，耗散能力增幅不大，但6 mm厚度下節(jié)點(diǎn)耗能能力明顯提升;根據(jù)B組模型數(shù)據(jù)可知，安裝間隙增加至2 mm時(shí)，其耗散能力明顯增強(qiáng);由C組模型數(shù)據(jù)可知，相對于掛片焊接位置，橫梁位于中部時(shí)耗能能力最強(qiáng)，位于上部時(shí)最弱;由D組模型數(shù)據(jù)可知，與無螺栓的節(jié)點(diǎn)相比，有螺栓的節(jié)點(diǎn)耗能能力增大5倍;由E組模型數(shù)據(jù)可知，摩擦因數(shù)對節(jié)點(diǎn)耗能能力影響不大，不同摩擦因數(shù)下差值率在5%以內(nèi)。

綜上可知，有無螺栓對耗散能力影響最大，其次是焊接位置、掛片厚度和間隙，影響最小的是摩擦因數(shù)。

3.2位移延性系數(shù)對比

根據(jù)式（1）計(jì)算可得各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移延性系數(shù)，見表2。分析A組模型數(shù)據(jù)可知，節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)隨掛片厚度的增加而增大，但掛片厚度增加至6 mm時(shí)，延性系數(shù)的變化相比耗散能力變化不明顯;由B組模型數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)間隙增加至2 mm時(shí)，延性系數(shù)增加幅度很小;由C組模型數(shù)據(jù)可知，掛片焊接位于中部時(shí)延性系數(shù)最大，上部時(shí)最小;由D組模型數(shù)據(jù)可知，有、無螺栓對延性系數(shù)影響很大;由E組模型數(shù)據(jù)可知，不同的摩擦因數(shù)對延性系數(shù)影響很小。

綜上可知，有、無螺栓對節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)影響仍為最大，其次是焊接位置、掛片厚度和間隙，影響最小的參數(shù)仍為摩擦因數(shù)。

3.3評價(jià)指標(biāo)的敏感性

根據(jù)表2，對比滯回耗能能力與延性系數(shù)的差值率發(fā)現(xiàn)，二者中各節(jié)點(diǎn)參數(shù)的變化趨勢均相同，除模型A-2外，滯回耗能能力的差值率均比延性系數(shù)的差值率高，說明滯回耗能能力對梁柱節(jié)點(diǎn)各項(xiàng)參數(shù)的改變更為敏感，意味著其在各節(jié)點(diǎn)參數(shù)下的抗震評價(jià)最為保守，可作為抗震性能評價(jià)的主要指標(biāo)。表 2評價(jià)指標(biāo)數(shù)值參數(shù)類型模型序號耗能能力/（N·mm）耗能能力差值率/%延性系數(shù)延性系數(shù)差值率/%掛片厚度A-1（標(biāo)準(zhǔn)）178 7041.92A-2185 944? 4.052.088.33A-3478 528167.782.119.90間隙B-1（標(biāo)準(zhǔn)）178 7041.92B-2267 041 49.431.951.56掛片焊接位置C-1（標(biāo)準(zhǔn)）178 7041.92C-2573 444220.892.014.69C-3373 654109.091.882.08螺栓D-1（標(biāo)準(zhǔn)）178 7041.92D-21 075 088501.602.4125.52摩擦因數(shù)E-1（標(biāo)準(zhǔn)）178 7041.92E-2180 3920.941.930.52E-3176 369-2.231.941.04

4結(jié)論

以低周反復(fù)加載試驗(yàn)為基礎(chǔ)，基于Ansys Workbench建立梁柱節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力仿真模型進(jìn)行數(shù)值分析，得到梁柱節(jié)點(diǎn)的失效模式和滯回曲線，通過物理試驗(yàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，結(jié)論如下。

（1）選取耗散能力和位移延性系數(shù)作為對梁柱節(jié)點(diǎn)退化性能評估的綜合指標(biāo)。相較于位移延性系數(shù)，滯回耗能能力對梁柱節(jié)點(diǎn)各個(gè)參數(shù)的變化更加敏感，因此建議將滯回耗能能力作為梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的主要指標(biāo)。

（2）就梁柱節(jié)點(diǎn)參數(shù)而言，螺栓式梁柱節(jié)點(diǎn)可顯著改善節(jié)點(diǎn)的退化和損傷性能，其耗能能力比普通鉚釘式節(jié)點(diǎn)增大5倍以上，掛片的厚度與焊接位置以及安裝間隙對不同指標(biāo)均有不同程度的影響，而螺栓與立柱孔間的摩擦接觸影響極小。因此，在高層、大跨度鋼結(jié)構(gòu)貨架的仿真中可采用簡單的接觸方式替代摩擦接觸，以節(jié)約計(jì)算成本。參考文獻(xiàn)：

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