何浩祥, 陳 奎, 李瑞峰

(1．北京工業(yè)大學(xué)工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京，100124)(2．首都世界城市順暢交通北京市協(xié)同創(chuàng)新中心 北京，100124)

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采用低屈服點(diǎn)金屬的可置換式鋼節(jié)點(diǎn)減震分析*

何浩祥1,2, 陳 奎1, 李瑞峰1

(1．北京工業(yè)大學(xué)工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京，100124)(2．首都世界城市順暢交通北京市協(xié)同創(chuàng)新中心 北京，100124)

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)通常不能充分達(dá)到預(yù)期抗震要求，而以梁端削弱型梁柱節(jié)點(diǎn)雖然能夠初步實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”，但可能在削弱區(qū)產(chǎn)生局部屈曲和整體側(cè)移，在強(qiáng)震下安全儲(chǔ)備不足。針對(duì)此問(wèn)題，基于可恢復(fù)功能減震結(jié)構(gòu)的理念，提出采用低屈服點(diǎn)金屬的梁端削弱更換式梁柱節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)利用低屈服點(diǎn)材料對(duì)翼緣和腹板的削弱處進(jìn)行填補(bǔ)，在地震中低屈服點(diǎn)金屬率先屈服并充分耗能，可降低節(jié)點(diǎn)主體的損傷，并可在震后對(duì)低屈服點(diǎn)金屬進(jìn)行更換。選取低屈服點(diǎn)鋼材作為置換材料，通過(guò)材料性能試驗(yàn)獲得相應(yīng)的材料本構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)比分析低周往復(fù)加載下不同的抗震減震性能和損傷特征。采用多尺度有限元建模方式對(duì)采用不同類型節(jié)點(diǎn)的鋼框架進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析。結(jié)果表明，可置換式節(jié)點(diǎn)能夠?qū)⒅饕獡p傷控制在置換材料內(nèi)，并具有更強(qiáng)的耗能能力、可恢復(fù)能力和安全儲(chǔ)備。

耗能減震； 低屈服點(diǎn)金屬； 多尺度模型； 可置換節(jié)點(diǎn)； 局部屈曲

引 言

在多高層鋼結(jié)構(gòu)框架抗震設(shè)計(jì)中，梁柱節(jié)點(diǎn)的連接形式和耗能能力占有重要的地位，直接關(guān)系到鋼結(jié)構(gòu)整體的安全性和可靠性。目前，鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)通常采用柱貫通型連接，典型梁柱剛性節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式為鋼梁翼緣與柱焊接、鋼梁腹板與柱焊接或高強(qiáng)度螺栓連接。早期的鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)假定翼緣連接承受全部彎矩而梁腹板只承受全部剪力，然而該連接的抗彎承載力只有梁本身抗彎承載力的80%左右，違背了抗震設(shè)計(jì)中“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的基本原則[1-3]。在1994年美國(guó)北嶺地震和1995年日本阪神地震中，多個(gè)鋼結(jié)構(gòu)房屋梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)脆性斷裂的現(xiàn)象使設(shè)計(jì)者意識(shí)到傳統(tǒng)剛性節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)并未充分達(dá)到預(yù)期的抗震設(shè)計(jì)要求[4]。由此，各國(guó)學(xué)者提出了多種改進(jìn)方法，其中塑性鉸外移法成為研究熱點(diǎn)，該法力圖將梁的應(yīng)力集中區(qū)從節(jié)點(diǎn)附近向外偏移，避免脆性破壞的發(fā)生，主要包括梁端削弱和梁端加強(qiáng)兩種方式[5]。

狗骨型節(jié)點(diǎn)和腹板開洞型節(jié)點(diǎn)是梁端削弱式梁柱節(jié)點(diǎn)的典型代表[5-6]，兩者均針對(duì)普通節(jié)點(diǎn)塑性區(qū)較小的不足，分別通過(guò)對(duì)鋼梁的翼緣和腹板進(jìn)行合理的削弱，使得梁體在地震時(shí)能夠產(chǎn)生一定長(zhǎng)度的塑性鉸從而充分耗能, 實(shí)現(xiàn)延性設(shè)計(jì)。然而，梁端削弱式節(jié)點(diǎn)也存在以下不足：a.當(dāng)翼緣或腹板被削弱后，構(gòu)件整體剛度會(huì)降低，設(shè)計(jì)不當(dāng)將存在安全隱患；b.在大震作用下削弱處將存在較嚴(yán)重的累積塑性應(yīng)變并可能發(fā)生嚴(yán)重屈曲和側(cè)向偏移，如果有余震產(chǎn)生，鋼梁將發(fā)生二次損傷從而徹底破壞；c.局部削弱式節(jié)點(diǎn)在地震之后的修復(fù)技術(shù)復(fù)雜，成本較高。

近年來(lái)，可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)(resilient structure)的理念應(yīng)運(yùn)而生并不斷發(fā)展?？苫謴?fù)功能結(jié)構(gòu)是指地震后不需修復(fù)或稍加修復(fù)即可恢復(fù)其使用功能的結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)形式上有多種實(shí)現(xiàn)方法[7-8]，但由于土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的復(fù)雜性，目前在土木工程領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用還很少，國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在嚴(yán)重受損后可更換性方面的研究成果也較少[9-10]。鑒于此，并針對(duì)目前梁端削弱型鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的不足，筆者提出一種采用低屈服點(diǎn)金屬的可置換式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)。該新型節(jié)點(diǎn)采用低屈服點(diǎn)的金屬材料對(duì)鋼梁的翼緣和腹板削弱處進(jìn)行填補(bǔ)，在地震時(shí)低屈服點(diǎn)金屬率先進(jìn)入變形并充分耗能，能夠提高節(jié)點(diǎn)整體抗震性能。此外，通過(guò)合理地設(shè)置削弱和填補(bǔ)尺寸，可以將累積塑性應(yīng)變基本控制在低屈服點(diǎn)金屬內(nèi)，避免梁和節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)較大變形，從而在震后可以快速簡(jiǎn)便地完成節(jié)點(diǎn)修復(fù)工作，體現(xiàn)了可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)的思想。

在評(píng)價(jià)不同鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)抗震減震性能時(shí)，除了采用低周往復(fù)加載試驗(yàn)或模擬分析外，也應(yīng)重視地震作用下節(jié)點(diǎn)在框架整體振動(dòng)中的性能，一般可采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析方法。目前，常用的工程非線性分析主要包括基于宏觀單元的整體分析和基于實(shí)體單元的局部分析。宏觀模型主要采用桿、殼等單元，計(jì)算量雖然小，但不能完整地反映結(jié)構(gòu)破壞的微觀機(jī)理，如結(jié)構(gòu)的局部失穩(wěn)、節(jié)點(diǎn)破壞及接觸問(wèn)題等?；趯?shí)體單元的精細(xì)分析，雖然可以較好地模擬結(jié)構(gòu)的局部破壞過(guò)程，但計(jì)算量大，且易出現(xiàn)計(jì)算不收斂等現(xiàn)象[11-12]。多尺度模型主要對(duì)不同尺度的力學(xué)行為采用不同的單元進(jìn)行模擬，進(jìn)而組合成多尺度有限元模型，因此多尺度計(jì)算可在精度和計(jì)算代價(jià)之間達(dá)成一個(gè)較好的平衡點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)采用多尺度分析中的界面的連接、約束條件設(shè)定等問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，并采用多尺度建模方法對(duì)工程結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力特性進(jìn)行了深入分析，驗(yàn)證了多尺度分析的精確性和有效性[11-14]。筆者選擇LY160鋼材作為可置換式節(jié)點(diǎn)使用的低屈服點(diǎn)金屬材料，通過(guò)材料性能試驗(yàn)獲得相應(yīng)的材料本構(gòu)曲線。在此基礎(chǔ)上利用有限元軟件分析了低周往復(fù)加載下傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、梁端削弱型節(jié)點(diǎn)和可置換式節(jié)點(diǎn)的抗震減震性能，并對(duì)比了不同節(jié)點(diǎn)的耗能能力和局部屈曲特征。最后采用多尺度有限元建模方式對(duì)具有不同類型節(jié)點(diǎn)的鋼框架進(jìn)行了地震彈塑性時(shí)程分析，驗(yàn)證了可置換式節(jié)點(diǎn)在抗震減震方面具有優(yōu)越性。

1 采用低屈服點(diǎn)金屬的可置換式節(jié)點(diǎn)

目前常見的梁端削弱式梁柱節(jié)點(diǎn)分為兩種，梁端翼緣削弱型和梁腹板削弱型，具體構(gòu)造如圖1所示?？梢罁?jù)文獻(xiàn)[15]確定梁翼緣削弱參數(shù)，假定bf和hb分別為梁的翼緣寬度和梁截面高度，其中削弱起始點(diǎn)至柱面距離a可取為0.50bf～0.75bf，削弱長(zhǎng)度b可取為0.65hb～0.85hb，削弱深度c可取為0.20bf～0.25bf，圓孔半徑R可取為0.25hb～0.375hb。

圖1 梁端削弱型鋼節(jié)點(diǎn)Fig.1 Beam end weaken steel connection

針對(duì)梁端削弱式節(jié)點(diǎn)在罕遇地震下可能出現(xiàn)嚴(yán)重屈曲和梁體側(cè)向偏移的不足，筆者提出采用低屈服點(diǎn)金屬的梁端更換式梁柱節(jié)點(diǎn)，其構(gòu)造如圖2所示。該節(jié)點(diǎn)借鑒削弱型節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造，但是為了在保證結(jié)構(gòu)承載力的前提下更好地體現(xiàn)低屈服點(diǎn)材料的性能，首先削弱和去除鋼梁端部翼緣和腹板的部分原有鋼材，之后通過(guò)焊接等方式將削弱部分更換為屈服點(diǎn)較低并且耗能能力強(qiáng)的金屬材料。為了充分發(fā)揮低屈服點(diǎn)金屬的耗能能力，建議相應(yīng)的削弱參數(shù)取傳統(tǒng)削弱式節(jié)點(diǎn)取值范圍中的較大值。在地震中，低屈服點(diǎn)金屬材料率先進(jìn)入變形并達(dá)到屈服階段，從而形成梁端塑性鉸進(jìn)行耗能減震，而節(jié)點(diǎn)原有部分不產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，保證節(jié)點(diǎn)整體抗震性能。主震作用后，可迅速更換低屈服點(diǎn)金屬使節(jié)點(diǎn)整體抗震性能得到恢復(fù)，使鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)和框架整體具備抵抗余震的能力。

圖2 梁端削弱更換式鋼框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)Fig.2 Beam end weaken replaceable connection

2 低屈服點(diǎn)金屬的材料性能

梁端削弱式節(jié)點(diǎn)減震作用的關(guān)鍵技術(shù)之一是選取具有較低屈服強(qiáng)度和延伸率的耗能材料。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于利用低屈服點(diǎn)金屬進(jìn)行減震的理論研究較多，但能夠達(dá)到工程應(yīng)用的材料較少[16-17]。筆者選擇國(guó)產(chǎn)低屈服點(diǎn)鋼LY160(屈服點(diǎn)約為160 MPa)作為低屈服點(diǎn)耗能材料。為了獲取并對(duì)比不同鋼材的真實(shí)材料性能參數(shù)，選用Q345鋼、Q235鋼以及LY160鋼3種材料并分別加工制作了3個(gè)相同拉伸試驗(yàn)尺寸的試件，根據(jù)文獻(xiàn)[18]的方法進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得每組的平均值作為最終結(jié)果。

標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸、拉伸試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及不同材料試件斷裂后的圖片如圖3所示。3種鋼材各自的平均應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。從拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線中可以得到：Q345鋼、Q235鋼和LY160鋼的實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度分別為385,275和160 MPa；實(shí)測(cè)延伸率分別為23%,27%和31%。通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以認(rèn)為，LY160鋼具有預(yù)期的低屈服點(diǎn)以及優(yōu)良的延展性和韌性，能夠在較大變形下充分耗能，且保證結(jié)構(gòu)的承載力不發(fā)生較大變化，保證結(jié)構(gòu)主體的穩(wěn)定性，因此作為可置換式鋼節(jié)點(diǎn)的低屈服點(diǎn)材料進(jìn)行使用。

圖3 試件尺寸、拉伸試驗(yàn)和斷裂形態(tài)Fig.3 Specimen size tensile test and fracture morphology

圖4 不同鋼材的本構(gòu)曲線Fig.4 Constitutive curve of different steel

3 可置換式鋼節(jié)點(diǎn)減震性能模擬

為了驗(yàn)證采用低屈服點(diǎn)金屬的可置換式的鋼節(jié)點(diǎn)的減震性能，筆者利用ANSYS有限元軟件分別建立傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)、腹板開洞和翼緣削弱式梁柱節(jié)點(diǎn)及可置換低屈服點(diǎn)金屬的梁柱節(jié)點(diǎn)模型，并進(jìn)行了低周往復(fù)加載下的非線性分析，從而對(duì)節(jié)點(diǎn)的滯回耗能能力進(jìn)行研究。節(jié)點(diǎn)模型的梁和柱均采用H型鋼，主體材料為Q345鋼，低屈服點(diǎn)金屬為L(zhǎng)Y160鋼。柱子截面的尺寸為HW450 mm×300 mm×20 mm×12 mm，梁截面的尺寸為HN400 mm×200 mm×12 mm×12 mm。削弱型節(jié)點(diǎn)的尺寸參數(shù)在上文提及的取值范圍中選擇，參見表1。同時(shí)，為了對(duì)比分析不同置換尺寸下的梁柱節(jié)點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，選擇3種不同置換尺寸，參數(shù)也如表1所示。

表1 削弱和置換尺寸

在各節(jié)點(diǎn)的柱兩端施加固定約束，梁端施加位移約束并進(jìn)行循環(huán)往復(fù)荷載，采用位移增量控制。初始狀態(tài)為0，逐步加載，位移增量步長(zhǎng)為每級(jí)12 mm，每級(jí)循環(huán)2次，總12級(jí)，直到構(gòu)件屈曲破壞。梁端加載位移達(dá)到144 mm時(shí)，不同類型的節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力圖如圖5～圖7所示。

由以上結(jié)果可以看出，達(dá)到極限位移時(shí)，傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力極值集中在梁端部與柱連接處，梁端形成塑性鉸發(fā)生明顯局部屈曲，受損后的維修不便。削弱式梁柱節(jié)點(diǎn)的塑性鉸外移到梁上削弱處，在削弱處產(chǎn)生了嚴(yán)重的局部屈曲和側(cè)向大變形，表明節(jié)點(diǎn)已經(jīng)發(fā)生較嚴(yán)重破壞，抗震能力不能滿足要求?？芍脫Q式節(jié)點(diǎn)的變形和傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)比較接近，但塑性鉸外移到置換金屬處，其局部屈曲和耗能主要發(fā)生在低屈服點(diǎn)置換材料內(nèi)部，而主體材料的破壞相對(duì)較小，在損傷后將低屈服點(diǎn)材料置換后仍然具備足夠的抗震能力和可恢復(fù)能力。不同梁柱節(jié)點(diǎn)的滯回曲線如圖8所示?？梢钥闯?，可置換式節(jié)點(diǎn)和傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的滯回環(huán)比較飽滿，而削弱式梁柱節(jié)點(diǎn)的滯回環(huán)面積明顯減小，且后期承載力下降較快，耗能能力明顯不足。

圖5 傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖Fig.5 Stress of traditional beam-column connection

圖6 削弱式梁柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖 Fig.6 Stress of beam-weaken connection

圖7 可置換金屬梁柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖Fig.7 Stress of replaceable connection

圖8 不同梁柱節(jié)點(diǎn)的滯回曲線比較Fig.8 Hysteresis curves of different connections

為了更直觀地比較不同類型節(jié)點(diǎn)的耗能能力，選用等效滯回阻尼比以及Park-Ang損傷指數(shù)[19]計(jì)算模型來(lái)分別考慮不同節(jié)點(diǎn)在低周往復(fù)荷載下的性能。

等效滯回阻尼比ξ為

(1)

其中：ED為結(jié)構(gòu)單周期運(yùn)動(dòng)滯回阻尼耗能，等于滯回環(huán)包圍的面積；ES為最大應(yīng)變能。

Park-Ang損傷指數(shù)DI為

(2)

其中:xcu為構(gòu)件在單調(diào)加載下的極限位移；Fy為構(gòu)件的屈服強(qiáng)度；xm和Eh為構(gòu)件實(shí)際的地震最大變形和累積滯變耗能；β為構(gòu)件耗能因子，本研究按照0.15取值。

計(jì)算各節(jié)點(diǎn)在不同位移下的等效滯回阻尼比曲線和Park-Ang損傷指數(shù)曲線，分別如圖9和圖10所示。從圖中可以看出,在低周往復(fù)加載下，傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的等效滯回阻尼比增長(zhǎng)相對(duì)緩慢，在節(jié)點(diǎn)發(fā)生較大變形時(shí)相對(duì)穩(wěn)定，但此時(shí)損傷指數(shù)急劇增長(zhǎng)，表明傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的滯回耗能能力和延性均較低，損傷較嚴(yán)重。雖然削弱式節(jié)點(diǎn)的等效滯回阻尼比傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的大，后期已經(jīng)達(dá)到了0.45以上，有較強(qiáng)的耗能能力和延性，但是通過(guò)損傷指數(shù)可以看出削弱節(jié)點(diǎn)損傷最為嚴(yán)重，過(guò)早出現(xiàn)了局部屈曲破壞并喪失了承載能力。3個(gè)置換式節(jié)點(diǎn)的等效滯回阻尼比隨著滯回次數(shù)穩(wěn)定而快速地增長(zhǎng)，后期均達(dá)到了0.45。置換式節(jié)點(diǎn)損傷指數(shù)在位移較小時(shí)大于傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的指數(shù)，但隨著位移的增加其增速變緩，在位移較大時(shí)已小于傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的。這表明在往復(fù)加載下置換式節(jié)點(diǎn)由于低屈服點(diǎn)鋼材先屈服而進(jìn)行充分耗能，由于低屈服點(diǎn)鋼材具有良好的延伸率，因而置換式節(jié)點(diǎn)在后期損傷相對(duì)較小，仍能保持完整性。

圖9 不同節(jié)點(diǎn)的等效阻尼比對(duì)比Fig.9 Equivalent damping ratio of different connections

圖10 不同節(jié)點(diǎn)的損傷指數(shù)對(duì)比Fig.10 Damage index of different connections

綜上所述，可置換節(jié)點(diǎn)比傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)具有更好的延性耗能能力，并且可以使塑性鉸外移到梁上，避免在梁柱節(jié)點(diǎn)處形成塑性鉸使結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性斷裂破壞。此外，在低屈服點(diǎn)金屬發(fā)生屈曲變形后可進(jìn)行置換，防止余震下的結(jié)構(gòu)破壞。狗骨式節(jié)點(diǎn)雖然能夠使塑性鉸外移到梁上削弱部位，但其承載力下降比較明顯，在削弱處易產(chǎn)生應(yīng)力集中和屈曲變形，并且后期延性耗能能力比較差。因此，可置換梁柱節(jié)點(diǎn)具有比其他兩種節(jié)點(diǎn)更好的抗震性能。

為了比較不同置換尺寸對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響，對(duì)3種置換式梁柱節(jié)點(diǎn)采用相同位移控制的低周往復(fù)加載。在梁端進(jìn)入到彈塑性變形時(shí)，不同置換尺寸下的梁柱節(jié)點(diǎn)均在置換部位產(chǎn)生了屈曲變形，3種尺寸下的承載能力基本相同。筆者采用置換節(jié)點(diǎn)2進(jìn)行后續(xù)研究。

4 基于多尺度的減震鋼框架性能分析

圖11 全實(shí)體和多尺度模型及尺寸(單位：mm)Fig.11 All entities and multi-scale models and section size(unit:mm)

為了研究采用不同類型節(jié)點(diǎn)的鋼框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力性能，筆者利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)兩層鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震動(dòng)下的彈塑性時(shí)程分析。結(jié)構(gòu)和詳細(xì)尺寸如圖11所示。有限元模擬中軸壓比為0.3，附加質(zhì)量為1.6t。由于全實(shí)體建模計(jì)算效率低，因此對(duì)多尺度建模和分析的效果進(jìn)行了研究，同時(shí)建立了全實(shí)體模型和多尺度模型。在全實(shí)體模型中，梁柱均選用SOLID95實(shí)體單元；在多尺度模型中，梁柱節(jié)點(diǎn)部分選用SOLID95實(shí)體單元；其他部位選用BEAM188梁?jiǎn)卧２煌瑔卧g通過(guò)建立約束方程和定義剛性連接區(qū)來(lái)模擬實(shí)際連接，確保了模擬精度。

采用El Centro波作為地震動(dòng)進(jìn)行時(shí)程分析，加速度峰值調(diào)幅至為0.70g，持續(xù)時(shí)間取16 s。在相同網(wǎng)格尺度劃分精度下，全實(shí)體模型和多尺度模型的頂部位移時(shí)程曲線如圖12所示，二者結(jié)果十分接近。以上結(jié)果表明，采用多尺度模型進(jìn)行靜力和動(dòng)力分析均具有令人滿意的精度。時(shí)程分析中采用全實(shí)體模型計(jì)算耗時(shí)為3 417 min，而采用多尺度模型計(jì)算耗時(shí)僅為1 512 min，可見多尺度分析在計(jì)算效率上具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖12 地震下頂部位移響應(yīng)Fig.12 Displacement history of top floor

時(shí)程分析中地震動(dòng)幅值達(dá)到峰值時(shí)，傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)式框架、狗骨節(jié)點(diǎn)式框架以及置換節(jié)點(diǎn)式框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)底部局部應(yīng)力云圖如圖13～圖15所示。可以看出，傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)在梁柱連接處應(yīng)力達(dá)到最大值。削弱節(jié)點(diǎn)在翼緣削弱處和腹板開洞處發(fā)生應(yīng)力集中，并且在削弱處發(fā)生較大的橫向屈曲變形，而置換低屈服點(diǎn)金屬的鋼框架節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力值分布較均勻，與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)相比節(jié)點(diǎn)核心區(qū)處的應(yīng)力出現(xiàn)了有效降低，更利于抵抗罕遇地震。

圖13 傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)下框架節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力云圖Fig.13 Stress of frame with traditional connection

圖14 削弱節(jié)點(diǎn)下框架節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力云圖 Fig.14 Stress of frame with weaken connection

圖15 置換節(jié)點(diǎn)下框架節(jié)點(diǎn)處最大應(yīng)力云圖Fig.15 Stress of frame with replaceable connection

圖16 頂部位移時(shí)程曲線Fig.16 Displacement history of top floor

不同框架的頂部位移時(shí)程曲線如圖16所示，其中削弱式梁柱節(jié)點(diǎn)鋼框架結(jié)構(gòu)頂部位移幅值最大，達(dá)到0.028 m。采用可置換式節(jié)點(diǎn)的鋼框架頂部位移和傳統(tǒng)框架的頂部位移基本相同，均為0.02 m。綜合可以看出：采用削弱節(jié)點(diǎn)的框架的頂部位移反應(yīng)和最大應(yīng)力值均最大；采用置換節(jié)點(diǎn)的框架與傳統(tǒng)鋼框架相比整體變形和局部應(yīng)力分別區(qū)別并不明顯，然而其具有較強(qiáng)的安全儲(chǔ)備和震后可恢復(fù)功能，因而適合在今后的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中適當(dāng)推廣。

5 結(jié)束語(yǔ)

在地震作用下，梁端削弱式梁柱節(jié)點(diǎn)能夠?qū)⑺苄糟q外移，并進(jìn)行充分的耗能，實(shí)現(xiàn)延性設(shè)計(jì)。然而，梁端削弱式節(jié)點(diǎn)可能發(fā)生局部屈曲和側(cè)向偏移，設(shè)計(jì)不當(dāng)將存在安全隱患，同時(shí)不利于震后加固。針對(duì)上述不足，筆者提出了采用低屈服點(diǎn)金屬的可置換式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)。該新型節(jié)點(diǎn)采用低屈服點(diǎn)的金屬材料對(duì)鋼梁的翼緣和腹板削弱處進(jìn)行填補(bǔ)，在地震時(shí)低屈服點(diǎn)金屬率先進(jìn)入變形并充分耗能，能夠提高節(jié)點(diǎn)整體抗震性能。同時(shí)該節(jié)點(diǎn)可以在震后進(jìn)行快速有效地置換，符合可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)的理念。

筆者對(duì)包括低屈服點(diǎn)鋼在內(nèi)的不同強(qiáng)度的鋼材進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，得到了各自的本構(gòu)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，利用有限元軟件分析了低周往復(fù)加載下傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、梁端削弱型節(jié)點(diǎn)和可置換式節(jié)點(diǎn)的抗震減震性能。結(jié)果表明，可置換式節(jié)點(diǎn)具有良好且穩(wěn)定的耗能能力，不易造成節(jié)點(diǎn)主體的局部屈曲和側(cè)向變形，同時(shí)具有易于置換和加固的優(yōu)點(diǎn)。為了對(duì)比分析結(jié)構(gòu)整體抗震減震能力，筆者采用多尺度有限元建模方式對(duì)具有不同類型節(jié)點(diǎn)的鋼框架進(jìn)行了地震彈塑性時(shí)程分析。結(jié)果表明，采用可置換式梁柱節(jié)點(diǎn)的鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下位移較小，在利用低屈服點(diǎn)鋼材進(jìn)行充分耗能的同時(shí)保證了主體結(jié)構(gòu)的安全，且易于維修，如經(jīng)濟(jì)方面允許，可在工程中應(yīng)用。與全實(shí)體模型相比，多尺度有限元模型可以準(zhǔn)確模擬梁柱節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力響應(yīng)，并在保證計(jì)算精度的同時(shí)明顯提高了計(jì)算效率，適合在設(shè)計(jì)和分析中推廣。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.06.003

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51478024); 工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)資助項(xiàng)目(USDE201403)

2015-01-10；

205-04-22

TU391； TG405

何浩祥，男，1978年5月生，博士、副研究員。主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和減震控制。曾發(fā)表《考慮渦旋效應(yīng)的圓柱形TLD多維減震效果研究》(《振動(dòng)與沖擊》2012年第6期)等論文。E-mail：hhx7856@163.com