史三元，王帥，王朋飛，白佳楠

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北邯鄲056038)

目前我國(guó)的抗震設(shè)防目標(biāo)要求是“小震不壞，中震可修，大震不倒”即在遭遇小震作用時(shí)，建筑物一般不會(huì)損壞，在相應(yīng)基本烈度的地震作用下，建筑物不發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞;在遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度的罕遇地震作用時(shí)，建筑物不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞［1］。但由于地震作用震動(dòng)方向的不確定和比人們認(rèn)知的更加復(fù)雜，結(jié)構(gòu)所遭受的地震作用可能會(huì)比房屋的抗震設(shè)防烈度高得多。都江堰和汶川按現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)防烈度是7度，但在2008年汶川地震中，都江堰烈度為9度，汶川烈度為11度，遠(yuǎn)超大震設(shè)防烈度［2］，建筑物幾乎全部損毀，雖然有少數(shù)房子沒有倒塌，但其中大部分框架節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)“殘留變形”而不能繼續(xù)使用?！皻堄嘧冃巍边^大的建筑物往往無(wú)法修復(fù)到正常使用狀態(tài)，最終只能拆除。

雖然焊接節(jié)點(diǎn)能夠承受更大的塑性變形，但是往往在地震后殘余變形較大，即使花費(fèi)再多的費(fèi)用，也很難恢復(fù)到以前的狀態(tài)，因此有些在地震中并未倒塌的房屋也會(huì)因?yàn)檫@個(gè)原因而推倒重建。為了解決這類問題，我們采用一種自復(fù)位腹板耗能鋼結(jié)構(gòu)。

1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造概述及工作原理

1.1 自復(fù)位腹板耗能節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

因?yàn)楹哪苎b置位置并不完全對(duì)稱，所以能量耗散的不同取決于梁相對(duì)柱旋轉(zhuǎn)是以梁哪個(gè)翼緣末端為支點(diǎn)。為了能夠使能量耗散不因旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的不同而不同，一個(gè)新的設(shè)計(jì)產(chǎn)生，在梁腹板上設(shè)計(jì)并安裝摩擦裝置，這樣的裝置被稱為腹板摩擦裝置(WFD)。在槽鋼和梁腹板間是銅質(zhì)摩擦板，并且梁上的螺栓孔配置與槽鋼相同。這些摩擦板能夠在銅質(zhì)摩擦板和梁腹板之間制造一個(gè)摩擦面。隨著梁相對(duì)于柱發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦裝置開始耗能。在這個(gè)設(shè)計(jì)中將帶有一字螺栓孔的槽鋼以梁腹板為對(duì)稱面對(duì)稱焊接在柱上。

WFD節(jié)點(diǎn)中的兩個(gè)槽鋼與柱翼緣焊接，并且通過摩擦型高強(qiáng)螺栓將這兩片槽鋼和梁腹板夾緊，從而使梁在移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生摩擦力。梁腹板上的孔槽是為了在梁柱連接節(jié)點(diǎn)打開或關(guān)閉時(shí)可以容納高強(qiáng)螺栓發(fā)生輕微的滑動(dòng)。該節(jié)點(diǎn)將加強(qiáng)板(加筋肋)設(shè)計(jì)焊接在柱翼緣內(nèi)表面與槽鋼上下翼緣平行位置，為了防止柱翼緣因預(yù)應(yīng)力鋼絞線孔而產(chǎn)生的疲勞破壞。

1.2 自復(fù)位腹板耗能節(jié)點(diǎn)的工作原理

節(jié)點(diǎn)張開后，梁柱連接處的彎矩M由軸向力P和摩擦力Ff共同承擔(dān)，公式如下［3］:

式中d2－預(yù)應(yīng)力合力中心到梁端旋轉(zhuǎn)中心的距離，r－摩擦力到梁端旋轉(zhuǎn)中心的距離。

旋轉(zhuǎn)中心位于與柱翼緣有壓力作用的梁的接觸面上，軸向力P主要由鋼絞線拉力T提供。如果考慮樓板與框架梁的相互作用，軸向力P還將包括樓面梁傳遞的壓力Ffd。

鋼絞線拉力T由下述公式得到。其中T0為鋼絞線的初始拉力，Kd，Ks，分別為梁和鋼絞線的軸向剛度。

理論上，在循環(huán)荷載作用下的自復(fù)位腹板耗能結(jié)構(gòu)的M －θr的曲線［4］如圖1所示。從0－1節(jié)點(diǎn)處如同傳統(tǒng)的焊接節(jié)點(diǎn)具有初始剛度。MIGO為消壓彎矩，Wb為截面受拉邊緣的彈性抵抗矩，MFf代表摩擦件提供的彎矩。一旦節(jié)點(diǎn)處克服了即將到來(lái)的裂縫時(shí)，彎矩就會(huì)到達(dá)MIGO。在MIGO被克服后，相對(duì)轉(zhuǎn)角逐漸增大，鋼絞線應(yīng)力、框架梁的壓縮量隨之增加，直至3點(diǎn)鋼絞線屈服。在2到4的卸載過程中θr保持恒定，節(jié)點(diǎn)彎矩因反向摩擦力的作用，首先下降2MFf，從4繼續(xù)卸載到5，轉(zhuǎn)角θr變?yōu)?，節(jié)點(diǎn)重新閉合。繼續(xù)卸載，從5下降到6，當(dāng)彎矩變?yōu)?時(shí)，節(jié)點(diǎn)處的梁柱接觸面重新處于壓緊狀態(tài)，結(jié)構(gòu)在正向或反向加載時(shí)節(jié)點(diǎn)的關(guān)系保持對(duì)稱。

2 Ansys計(jì)算模型建立

本文通過自復(fù)位腹板耗能鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)在低周循環(huán)荷載下的數(shù)值模擬分析，詳細(xì)介紹了ANSYS建模及分析的全過程。通過對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)加載模擬，得到該類型節(jié)點(diǎn)在循環(huán)加載作用下的M－θr滯回曲線和骨架曲線，確定該試件是否具有自復(fù)位能力，抗震性能是否良好，并驗(yàn)證有限元分析的正確性。

2.1 模型參數(shù)

模型(如圖2)幾何尺寸如表1(單位:mm)。

槽鋼:高 ×長(zhǎng) ×肢寬 ×厚:200×200×130×15;材質(zhì)為Q345B;接觸面鋼絲刷除銹處理。螺栓:8.8級(jí)摩擦型高強(qiáng)螺栓，直徑19 mm;材質(zhì)為16錳鋼。螺栓水平間距 70 mm，豎向間距100 mm。鋼絞線采用雙折線模型7φ15.2，單根鋼絞線的預(yù)應(yīng)力為120 kN。

表1模型參數(shù)表Tab.1 Table of the model parameters

本文采用實(shí)體建模的方法。由于框架為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以取一半的框架進(jìn)行計(jì)算［5］。本模型主體結(jié)構(gòu)采用Solid92單元，鋼絞線采用Link10單元，接觸對(duì)采用Conta174和目標(biāo)單元Targe170，模型如圖2。

材料的彈性模量E=2e11 N/m2，泊松比ν=0.3，材料密度 ρ=7 850 kg/m3，線膨脹系數(shù)為 1e－5。

Solid92單元不需要定義實(shí)常數(shù)，只有模擬預(yù)應(yīng)力拉索的Link10單元需要定義實(shí)常數(shù)，鋼絞線的橫截面積為1.81 ×10－4m2。

2.2 預(yù)應(yīng)力施加方法

鋼絞線預(yù)應(yīng)力的常用施加方式可分為兩種［6］:(1)降溫法。先為鋼絞線設(shè)定一個(gè)初始溫度，并給定一個(gè)溫度下降值，根據(jù)熱脹冷縮原理，使鋼絞線產(chǎn)生一個(gè)收縮變形。此初始應(yīng)變將使鋼絞線產(chǎn)生預(yù)拉作用，這個(gè)預(yù)拉作用即為模型的預(yù)拉力。鋼筋的溫降值公式為ΔT=P/(a×E×A)。式中△T－鋼絞線的溫度下降值;P－所產(chǎn)生的預(yù)拉力大小;E－鋼絞線的彈性模量;A－鋼絞線的橫截面積;α－鋼絞線的線性膨脹系數(shù)。

(2)初始應(yīng)變法。給鋼絞線設(shè)定一個(gè)初始拉力，放松后使鋼絞線產(chǎn)生收縮變形。此初始應(yīng)變將使鋼絞線產(chǎn)生一個(gè)預(yù)拉作用。初始應(yīng)變的公式為 ε=P/EA。

式中ε－鋼絞線的初應(yīng)變;P－預(yù)拉力施加值;E－鋼絞線的彈性模量;A－鋼絞線的截面面積。

模型的高強(qiáng)螺栓使用直接施加預(yù)緊單元來(lái)施加預(yù)緊力，但預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用的是降溫法。

相較于初始應(yīng)變法，降溫方法比較簡(jiǎn)單，可以同時(shí)在不同位置設(shè)定不同的預(yù)緊力即能夠?qū)?yīng)力損失進(jìn)行模擬;初始應(yīng)變法通常不能考慮預(yù)應(yīng)力損失，否則每個(gè)單元的實(shí)常數(shù)各不相等，工作量較大。因此，對(duì)高強(qiáng)螺栓施加預(yù)緊力采用直接施加PRETS179單元，對(duì)于預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用降溫法加載，初始預(yù)拉力為110 kN，轉(zhuǎn)化為溫度為－331℃。

2.3 加載控制

通過施加低周循環(huán)荷載來(lái)模擬地震作用。循環(huán)加載方案:通過對(duì)梁端施加位移荷載進(jìn)行控制，即先在梁端施加向上的5 mm的位移荷載，再反向施加5 mm位移荷載，這就是一個(gè)加載周期，其中包含有四個(gè)荷載步。然后將位移量加至10 mm，之后每次增加10 mm。采用同種方法直到試件被破壞。試件破壞的形式有兩種:一是轉(zhuǎn)角過大，允許轉(zhuǎn)角范圍 0.02 －0.05 rad。二是螺栓滑移［8］。本文以轉(zhuǎn)角為參照，最終相對(duì)位移角目標(biāo)為3%。

2.4 計(jì)算結(jié)果

按上述方法施加循環(huán)荷載后，提取M－θr滯回曲線進(jìn)行分析(如圖3)可以看出:縱坐標(biāo)為梁端產(chǎn)生彎矩M(kN·m)，橫坐標(biāo)為框架梁與框架柱之間的相對(duì)位移角θr(rad)。當(dāng)M ＜10 kN·m時(shí)，即裂縫張開之前，節(jié)點(diǎn)剛度較大，M－θr關(guān)系曲線基本呈線性。當(dāng)梁開始與柱產(chǎn)生裂縫時(shí)，梁與柱相對(duì)位移角達(dá)到1%左右，彎矩增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。梁與柱脫開后，節(jié)點(diǎn)剛度主要由預(yù)應(yīng)力鋼絞線及框架梁提供。在每一個(gè)循環(huán)中，當(dāng)彎矩為0時(shí)，相對(duì)位移角也回到0點(diǎn)，說明節(jié)點(diǎn)具有較好的自復(fù)位能力。隨著在Y方向位移的逐漸增大，節(jié)點(diǎn)處所受正彎矩也逐漸增大，節(jié)點(diǎn)張開角度逐漸增大，當(dāng)彎矩達(dá)到最大值28 kN·m時(shí)，相對(duì)位移角θr最大，此時(shí)相對(duì)轉(zhuǎn)角最大值小于3%。反之，當(dāng)梁端所受彎矩為負(fù)彎矩時(shí)，梁的轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡類似，相對(duì)轉(zhuǎn)角的最大值依然小于3%。

由圖4骨架曲線可知:在開始施加荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)具有較好的剛度，隨著梁在Y方向位移的增加，梁柱接觸面間的縫隙逐漸增大，槽鋼接觸面摩擦的增大及梁本身的塑性破壞，節(jié)點(diǎn)剛度變化趨勢(shì)逐步平穩(wěn)，剛度逐漸減小。不同于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的是，隨著Y方向位移的逐漸增大，節(jié)點(diǎn)剛度的減小，即使Y方向加載到100 mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)仍未出現(xiàn)負(fù)剛度，屈服后剛度仍然穩(wěn)定，未出現(xiàn)下降段。

3 結(jié)論

1)相對(duì)轉(zhuǎn)角最大值小于加載控制中所提到的3%，在ANSYS模擬的地震荷載作用下，該自復(fù)位節(jié)點(diǎn)在地震荷載作用下耗能能力良好。

2)當(dāng)模型在Y方向位移荷載達(dá)到100 mm時(shí)，模型屈服后的剛度達(dá)到穩(wěn)定，能夠減小震后結(jié)構(gòu)的殘余變形和提升結(jié)構(gòu)的抗震能力，也說明結(jié)構(gòu)的抗震能力良好。

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