蜂窩鋼梁柱弱軸向端板連接抗震性能有限元分析

劉易洲LIU Yi-zhou；姬文婷JI Wen-ting；李秋镕LI Qiu-rong

（①鹽城市第一中學(xué)，鹽城 224000；②遼寧省建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，沈陽 110000；③沈陽建筑大學(xué)，沈陽 110000）

0 引言

在當(dāng)下國家大力發(fā)展裝配式建筑，提倡采用綠色環(huán)保建材，鋼材產(chǎn)能高的背景下，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展迅猛，傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點會采用大量現(xiàn)場焊接，這導(dǎo)致了焊縫質(zhì)量受天氣、人工的影響較大，難以保證其工作性能的可靠性，本文提出蜂窩鋼梁柱弱軸向端板連接為螺栓連接節(jié)點可有效解決上述問題，同時能夠縮短施工周期，提高建筑結(jié)構(gòu)裝配率，采用蜂窩構(gòu)件可以有效減少結(jié)構(gòu)自重，便于管線穿越，在大跨度結(jié)構(gòu)中已經(jīng)被證實具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，使建筑結(jié)構(gòu)更富美感?！陡邔用裼媒ㄖ摻Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ99-2015）[1]中給出了梁柱節(jié)點弱軸向剛接的構(gòu)造要求，《端板式半剛性連接鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 260:2009）[2]中明確規(guī)定了對于實腹鋼梁柱節(jié)點不建議采用端板連接，這主要是因為“強(qiáng)節(jié)點，弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計原則，在相關(guān)文獻(xiàn)中認(rèn)為端板連接剛度足夠大時可視作剛接[3]，合理設(shè)計的剛性蜂窩梁柱節(jié)點易于在梁端首孔處發(fā)生塑性鉸破壞[4]，因此當(dāng)連接端板的剛度足夠時，蜂窩梁有可能在梁端首孔處發(fā)生塑性鉸破壞，本文將研究不同類型端板連接節(jié)點的破壞形式及抗震性能，分析所提出蜂窩鋼梁柱弱軸向端板連接節(jié)點工作性能的可靠性，旨在提出一種適用于實際工程的蜂窩鋼梁柱弱軸向端板連接節(jié)點構(gòu)造形式，為相關(guān)工程提供參考。

1 有限模型建立

采用有限元軟件Abaqus建立如圖1所示的蜂窩鋼梁柱弱軸向端板連接節(jié)點數(shù)值模型，模型中H形鋼柱截面尺寸為400×300×12×16（mm），蜂窩梁截面尺寸為400×200×8×12（mm），開孔率為60%（開孔高度與梁高比值），首孔開孔中心距柱腹板面400mm，兩孔孔中心距為480mm，梁端以位移控制循環(huán)加載，柱端施加集中荷載1000kN，來模擬實際工況。螺栓預(yù)應(yīng)力采用軟件中提供的螺栓荷載進(jìn)行施加，摩擦面之間設(shè)置“罰”摩擦，摩擦系數(shù)取0.35，鋼材等級為Q355B，其屈服強(qiáng)度為340MPa，抗拉強(qiáng)度為580MPa。

建立了如圖2所示的9種連接類型，其中BASE試件為剛性對比試件，其相關(guān)構(gòu)造要求滿足規(guī)范《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ99-2015），WAT1-4系列為單端板連接，WAT1為單端板直接與柱腹板采用10個10.9級M22高強(qiáng)螺栓相連，WAT2設(shè)置了端板加勁肋，WAT3設(shè)置了橫向加勁肋，WAT4同時設(shè)置了橫向加勁肋與端板加勁肋，WAT5-8為環(huán)端板（三塊端板）連接，WAT5為閉合環(huán)端板（三塊端板之間采用焊縫連接）與柱腹板，柱翼緣共采用30個10.9級M22高強(qiáng)螺栓相連，WAT6在WAT5的基礎(chǔ)上設(shè)置了翼緣補(bǔ)強(qiáng)板，WAT7為開口環(huán)端板（三塊端板之間保持一定距離）與柱腹板，柱翼緣共采用30個10.9級M22高強(qiáng)螺栓相連，WAT8在WAT7的基礎(chǔ)上設(shè)置了翼緣補(bǔ)強(qiáng)板，端板厚度均設(shè)置為16mm，加勁肋厚度設(shè)置為12mm，翼緣補(bǔ)強(qiáng)板厚度設(shè)置為12mm，端板、加勁肋與補(bǔ)強(qiáng)板均與對應(yīng)梁截面假定采用焊接連接。

2 抗震性能分析

2.1 滯回曲線

滯回曲線是反映結(jié)構(gòu)在受往復(fù)荷載作用下的耗能能力，往往滯回曲線越飽滿表明結(jié)構(gòu)的耗能能力越好。如圖3所示，WAT1-4試件的滯回曲線飽滿程度大致相當(dāng)，但承載能力逐漸提高，這表明設(shè)置的加勁肋對于節(jié)點耗能的影響比較小，但對節(jié)點的極限承載能力有一定的幫助，其中橫向加勁肋的影響更為明顯，整體來看采用單端板連接的試件滯回曲線較BASE試件滯回曲線的飽滿度要差，說明WAT1-4試件的滯回性能要明顯弱于BASE試件，WAT5-8的滯回曲線飽滿程度及極限承載能力大致相當(dāng)，這表明端板之間開口與閉口連接，設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)勁板對此類型節(jié)點的抗震性能與極限承載能力影響很小，整體來看采用環(huán)端板連接的試件滯回曲線較BASE試件滯回曲線的飽滿度要好，說明WAT5-8試件的滯回性能要明顯強(qiáng)于BASE試件，上述研究表明采用環(huán)端板連接的節(jié)點耗能能力＞采用剛性連接的節(jié)點耗能能力＞單端板連接的節(jié)點耗能能力。

2.2 骨架曲線

骨架曲線反映了結(jié)構(gòu)在遭受低周往復(fù)荷載作用時變形與荷載的關(guān)系，對于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計具有重要意義，本文采用的延性系數(shù)由荷載峰值點位移壁上屈服點位移得到，延性系數(shù)可以反映結(jié)構(gòu)變形的速率，一般來說結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)大于3被認(rèn)為是極佳的。試件的骨架曲線與試驗結(jié)果分別如圖4及表1所示，可以看出采用環(huán)端板連接的試件WTA5-8的初始剛度與BASE試件一致，但屈服荷載最大提高7.1%，極限承載能力較BASE試件最大可以提高6.5%，延性最大可以提高11.1%，極限荷載作用下梁柱轉(zhuǎn)角最大約為剛接節(jié)點的1.58倍，采用開口環(huán)端板連接的試件相對閉合環(huán)端板連接試件展示了更好的延性，承載能力也更好，采用了單端板連接的節(jié)點初始剛度弱于BASE試件，其屈服荷載最小約為0.76倍BASE試件的屈服荷載，極限荷載最小約為0.79倍BASE試件的屈服荷載，可以看出在設(shè)置橫向加勁肋后，端板加勁肋對極限承載力的提高效果更為明顯，大約能提高5.3%，不設(shè)置橫向加勁肋時只能提高1.8%。

表1 試件試驗結(jié)果

2.3 破壞形式

破壞形式是反映結(jié)構(gòu)受荷載作用時結(jié)構(gòu)的失效區(qū)域及失效模式，對于梁柱節(jié)點而言，受地震作用時梁端塑性鉸破壞是一種較為理想的破壞形式，滿足了“強(qiáng)柱弱梁”，“強(qiáng)節(jié)點，弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計理念，同時還可以避免應(yīng)力分布復(fù)雜的節(jié)點域發(fā)生破壞，而蜂窩梁則是通過削弱梁腹板截面來實現(xiàn)塑性鉸外移，如圖5所示，可以看出單端板連接試件的破壞形式均為柱發(fā)生破壞，這是因為端板連接具有良好的轉(zhuǎn)動能力，而柱腹板的抗彎剛度較?。o法抵抗轉(zhuǎn)動變形），這導(dǎo)致柱腹板過早失去承載能力，柱翼緣將承擔(dān)所有的梁端荷載，使柱翼緣也發(fā)生了大變形，橫向加勁肋也難以提供足夠的剛度，環(huán)端板連接試件的破壞形式均是梁端塑性鉸破壞，這表明合理設(shè)計的環(huán)端板連接節(jié)點的剛度可以達(dá)到BASE試件的剛度，環(huán)端板提供了足夠的抗彎剛度，這主要取決于環(huán)端板的厚度。

2.4 耗能能力與剛度退化

等效粘滯阻尼系數(shù)可以直觀地反映結(jié)構(gòu)的耗能能力，剛度退化可以反映結(jié)構(gòu)受力過程中結(jié)構(gòu)由彈性階段轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄噪A段的過程，采用Hysteretic Loop Analysis Program（滯回曲線分析軟件）計算試件的等效粘滯阻尼系數(shù)及割線剛度如圖6、圖7所示，可以看出采用環(huán)端板連接的節(jié)點的耗能能力與BASE試件大致相當(dāng)，其粘滯阻尼系數(shù)均能達(dá)到0.4，而單端板連接的節(jié)點試件其粘滯阻尼系數(shù)僅能達(dá)到0.25，剛度退化方面可以看出BASE試件與環(huán)端板試件的初始剛度及初期剛度退化速率幾乎一致，但當(dāng)梁柱轉(zhuǎn)角達(dá)到0.025rad時，BASE試件的剛度退化速率加快，這表明采用環(huán)端板連接的試件具有更好的剩余抵抗能力。

3 結(jié)論

①蜂窩鋼梁柱弱軸向采用環(huán)向端板連接的初始轉(zhuǎn)動剛度在合理的設(shè)計范圍內(nèi)可以達(dá)到與規(guī)范構(gòu)造要求一致節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度，在本文研究范圍內(nèi)，其極限極限承載能力最大較規(guī)范給出的節(jié)點可以提高6.5%，延性最大可以提高11.1%。②蜂窩鋼梁柱弱軸向采用環(huán)向端板連接的破壞形式可以實現(xiàn)柱端塑性鉸外移至梁端，在本文研究范圍內(nèi)，極限荷載作用下梁柱轉(zhuǎn)角最大約為剛接節(jié)點的1.58倍，且耗能能力更好，剛度退化速率在梁柱轉(zhuǎn)角達(dá)到0.025rad時小于剛接節(jié)點。③環(huán)向端板間的相互作用，在端板厚度一定時對節(jié)點的抗震性能影響較小，閉合環(huán)端板具有更好的承載能力，開口環(huán)端板具有更好的延性，在本文的研究范圍內(nèi)表明，單端板連接不適用于蜂窩梁柱弱軸向連接，即使進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)處理。