潘運(yùn)成 黃炳生 杜志群

由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展、鋼產(chǎn)量大幅度提高，國(guó)家對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑給予政策和技術(shù)扶持，促進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

近年來，國(guó)外對(duì)H型梁柱節(jié)點(diǎn)研究較多［1-4］，并在工程中已有較多應(yīng)用，而對(duì)方鋼管柱-工字鋼梁節(jié)點(diǎn)研究較少，收集的信息不夠充分，雖在現(xiàn)行抗震規(guī)范中提出了該連接的設(shè)計(jì)概念，但如何具體實(shí)施，均暫未做出具體規(guī)定和說明。方鋼管柱具有各向等強(qiáng)，抗扭剛度大，承載能力高；鋼管端頭封閉后抗腐蝕性能好；外形規(guī)則，組成的結(jié)構(gòu)輕巧美觀，具有很好的建筑適用性；和H型鋼組成的結(jié)構(gòu)相比用鋼量少，成本低；和圓鋼管相比，梁柱連接構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，不產(chǎn)生空間相貫，便于加工等優(yōu)點(diǎn)，方鋼管柱與工字鋼梁鋼框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越多。但是對(duì)方鋼管與工字鋼半剛性節(jié)點(diǎn)的研究存在著很大的不足和缺陷。一般來說，冷成型方鋼管壁比較薄，單純的采用端板連接有可能造成管壁面外變形很大，造成連接性能不好，從而影響連接的剛度、受力性能。因此本文對(duì)節(jié)點(diǎn)域構(gòu)造做出了改進(jìn)，采用套管對(duì)方鋼管柱壁進(jìn)行加強(qiáng)，提出了方鋼管柱-工字鋼梁套管加強(qiáng)式端板連接半剛性新型節(jié)點(diǎn)形式。

本文在合理選擇有限單元類型基礎(chǔ)上，利用有限元軟件ANSYS對(duì)套管加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)加載作用下的受力性能分析，研究了該節(jié)點(diǎn)在不同端板厚度下的破壞形態(tài)、極限荷載、最大塑性轉(zhuǎn)角、延性性能等?？紤]端板厚度變化對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響，得出一些簡(jiǎn)單的結(jié)論，從而為端板連接設(shè)計(jì)提供一些簡(jiǎn)單參考依據(jù)。

一、幾何模型的確定

本文研究的節(jié)點(diǎn)模擬鋼結(jié)構(gòu)邊框架，柱高取H=2.0m，梁長(zhǎng)取L=1.2m （至柱邊）。梁采用H型鋼截面，柱采用□200×8方鋼管。為了保證梁與端板連接可靠，梁與端板連接采用角焊和對(duì)接焊的組合焊。梁與柱采用8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓連接，并用40×5的套管加強(qiáng)柱節(jié)點(diǎn)區(qū)，防止柱在受力過程中柱壁鼓曲。試件的詳細(xì)尺寸見表1。

材料采用各向同性的理想彈塑性材料，假定所用鋼材為Q235鋼。彈性模量E取為2.06×10MPa，泊松比μ取為0.3。分析采用的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為雙折線模型。材料的屈服強(qiáng)度為235MPa，對(duì)應(yīng)的屈服應(yīng)變?chǔ)艦?.114%。計(jì)算采用Von-Mises屈服準(zhǔn)則，材料強(qiáng)化取多線性隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則。在分析中，所有焊縫均視為與節(jié)點(diǎn)板材等強(qiáng)，忽略焊接殘余應(yīng)力、焊腳尺寸以及構(gòu)件初始缺陷對(duì)節(jié)點(diǎn)受力的影響。材料的本構(gòu)關(guān)系模型如圖1所示的簡(jiǎn)化模式。

表1 試件尺寸

圖1 材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

二、有限元模型

1.單元?jiǎng)澐?/h3>

在有限元模型劃分時(shí)，柱子、梁選用八節(jié)點(diǎn)的solid45實(shí)體單元進(jìn)行線段控制劃分網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)區(qū)域的柱壁，端板、螺栓套管選用較高精度的二十節(jié)點(diǎn)solid95實(shí)體單元進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。

該節(jié)點(diǎn)端板與柱壁之間采用接觸單元TARGE170、CONTA174來模擬兩者之間的接觸作用，接觸單元覆蓋在實(shí)體單元表面，模擬單元表面之間的接觸、滑移及變形等邊界條件。對(duì)高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力，可采用ANSYS程序提供的預(yù)拉力單元Solidl79來實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)試件的有限元模型如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分圖

2.邊界約束

本文在模擬邊界條件時(shí)，柱底施加x、y、z三個(gè)方向的線約束以模擬柱鉸的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，柱頂施加x、y兩個(gè)方向的線約束以模擬柱鉸的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。為了防止鋼梁的平面外失穩(wěn)破壞，在鋼梁梁端施加x方向的約束 (即UX=0)，圖3所示。

圖3 模型邊界條件

3.施加荷載

柱頂?shù)呢Q向軸力以集中荷載的形式施加在柱頂面。 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》9.2.3中規(guī)定，塑性設(shè)計(jì)中的壓彎構(gòu)件的壓力N不應(yīng)該大于0.2Auf。本文的節(jié)點(diǎn)為彈塑性設(shè)計(jì)，在參考塑性設(shè)計(jì)中壓彎構(gòu)件壓力值的基礎(chǔ)上，取柱軸壓力值為：N=250KN。在梁端施加低周往復(fù)荷載，根據(jù)文獻(xiàn)，試件屈服前采用荷載控制加載，屈服后采用位移控制加載，由于屈服前梁端荷載與位移成線性比例關(guān)系，所以本ANSYS模擬分析的整個(gè)過程在梁端施加強(qiáng)制的位移荷載。初始位移為屈服位移的20%，每次每級(jí)位移增量約為20%，屈服前，每級(jí)荷載循環(huán)1次；當(dāng)試件屈服后，依次施加2倍、2.5倍、3倍屈服位移，每級(jí)荷載循環(huán)2次，加載制度如圖4所示，Δy為屈服位移。

三、有限元結(jié)果分析

1.節(jié)點(diǎn)變形

試件JD-1和JD-2端板厚度分別為12mm、16mm。在循環(huán)荷載作用下變形如圖5所示，試件JD-1在荷載作用下最終端板發(fā)生彎曲變形，使節(jié)點(diǎn)喪失承載能力，試件JD-2在荷載作用下梁端部發(fā)生屈曲，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)喪失承載能力。比較兩個(gè)節(jié)點(diǎn)破壞模式，端板厚度增加節(jié)點(diǎn)塑性鉸外移。

圖4 加載制度

圖5 試件節(jié)點(diǎn)域變形圖

2.節(jié)點(diǎn)滯回特性分析

有限元計(jì)算結(jié)果見表2，在低周反復(fù)荷載作用下，梁柱節(jié)點(diǎn)試件的滯回特性 （滯回曲線見圖7），可以從延性系數(shù)、耗能指標(biāo)以及荷載循環(huán)過程中強(qiáng)度、剛度的退化三個(gè)方面來描述。有限元計(jì)算結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)的滯回曲線非常飽滿，試件呈現(xiàn)出良好的強(qiáng)度和延性特征。

（1） 延性系數(shù)

延性是指結(jié)構(gòu)破壞之前，在其承載力無顯著降低的條件下經(jīng)受非彈性變形的能力，延性往往用延性系數(shù)來表示，節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)μ定義為塑性極限轉(zhuǎn)角φU與彈性極限轉(zhuǎn)角φy的比值，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖6所示，此指標(biāo)是節(jié)點(diǎn)抵抗地震作用能力的有效度量，延性系數(shù)越大，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性后承受大變形的潛力越大。μ值反映了材料及節(jié)點(diǎn)的延性性能，μ值越大，節(jié)點(diǎn)延性愈好，強(qiáng)震時(shí)節(jié)點(diǎn)耗能能力愈強(qiáng)，但過大的延性系數(shù)，將可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)承載力和剛度較大的降低，因此，節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)取3.0較為合適，既能保證節(jié)點(diǎn)塑性的充分發(fā)揮，又能保證節(jié)點(diǎn)具有足夠的承載力和剛度。試件JD-1和JD-2的延性系數(shù)分別為3.4、3.22，這兩種試件都有很好的延性，能夠使節(jié)點(diǎn)的塑性得到充分的發(fā)揮。

表2 試驗(yàn)結(jié)果表

圖6 延性比計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖7 循環(huán)加載荷載-位移滯回曲線

（2） 耗能能力

我國(guó) 《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》JGJ101—96，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)的構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)抗震基本性能試驗(yàn)和低周反復(fù)荷載作用下的抗震性能試驗(yàn)，規(guī)定以式 (1)的能量耗散系數(shù)E來衡量試件的能量耗散能力。用式 (1)算得的各試件的能量耗散系數(shù)E值見表2。

計(jì)算得到試件JD-1和JD-2的耗能系數(shù)分別為1.71、2.23。滯回曲線飽滿，耗能系數(shù)都較大，在2.0左右，是理想的抗震耗能模型。

圖8 耗能指標(biāo)計(jì)算簡(jiǎn)圖

四、結(jié)語

本文對(duì)方鋼管柱-工字鋼梁套管加強(qiáng)式端板連接半剛性T型節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行了三維有限元非線性分析，分析結(jié)果表明，通過套管加強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)具有良好的延性和耗能能力，破壞主要是由于梁翼緣的局部屈曲變形過大所致。對(duì)于此類節(jié)點(diǎn)，應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)參數(shù)變換進(jìn)行分析，形成系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)資料庫，供工程設(shè)計(jì)人員使用。

[1]郭兵,顧強(qiáng),柳鋒,趙考重.梁柱端板連接節(jié)點(diǎn)的滯回性能試驗(yàn)研究王新武，孫犁.鋼框架半剛性連接性能研究.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,24(11):33-35

[2]李鳳霞,王瑩.外伸端板梁柱連接的滯回性能試驗(yàn).河南科技大學(xué)學(xué)報(bào),2003,24(2):94-96

[3]王燕，李華軍，歷見芳.半剛性梁柱節(jié)點(diǎn)連接的初始剛度和結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析.工程力學(xué),2003,20(6):65-69

[4]JGJ101-96建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程陳宏，李兆凡，石永久，王元清.鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型的研究.工業(yè)建筑，2002，32(6):64-65