白潤山 劉 宏 卜娜蕊 趙思思

(1.河北建筑工程學院,河北 張家口 075000;2.河北省張家口市宣化區(qū)交通運輸局,河北 張家口 075100)

自復位鋼框架結(jié)構(gòu)中樓板剛度的影響研究

白潤山1劉 宏1卜娜蕊1趙思思2

(1.河北建筑工程學院,河北 張家口 075000;2.河北省張家口市宣化區(qū)交通運輸局,河北 張家口 075100)

通過ANSYS有限元分析軟件針對自復位鋼框架結(jié)構(gòu)有無樓板的受力性能進行分析研究，經(jīng)過分析，在單向集中荷載或?qū)ΨQ反向集中荷載下的作用下，樓板對自復位梁柱節(jié)點約束性能良好，提高了整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，很大程度上減小了框架的擴展性.

預應力;自復位;半剛性

0 引 言

1994年美國北嶺地震和1995年日本阪神地震給傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了承重的一擊，震后造成了鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的脆性破壞，雖然節(jié)點能夠修復再用，但經(jīng)過改造后的節(jié)點如果再次遭遇大地震，主體結(jié)構(gòu)仍會產(chǎn)生殘余變形，這就意味著P-Δ效應加劇，削弱了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，導致結(jié)構(gòu)局部屈曲甚至倒塌，造成震后修復的極大浪費.為了增強結(jié)構(gòu)的抗震性能，減少震后修復費用，美國和日本的專家學者致力于研究一種能產(chǎn)生塑性變形、消能減震，較小的節(jié)點殘余變形，甚至能恢復原來狀態(tài)的抗震結(jié)構(gòu)，之后參考了混凝土中預應力的作用，發(fā)明了一種新型的能在震后恢復原來狀態(tài)的鋼結(jié)構(gòu)—自復位鋼結(jié)構(gòu).這種結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：搖擺連接件、復位元件及耗能裝置.2000年，Ricles和Garlock[1]將預應力與半剛性節(jié)點相結(jié)合，提出了PT(Post-Tensioned connection)節(jié)點，并對其進行了定義，且Garlock于2007年給出了針對此類節(jié)點的具體設(shè)計步驟和流程圖.之后，在此基礎(chǔ)上，自復位節(jié)點有了進一步的發(fā)展.Constantin Christpoulos等人[2]將PT節(jié)點中的耗能角鋼用耗能鋼條替換，定義新型自復位節(jié)點—PTED節(jié)點，并利用DRAIN-2DX軟件對比分析了帶有PTED節(jié)點和傳統(tǒng)焊接節(jié)點框架的受力性能，對比結(jié)果表明PTED節(jié)點延性很大，造價與傳統(tǒng)鋼框架相當，修理費用低，適于應用.之后，人們各種耗能構(gòu)件的PTED節(jié)點，如梁頂?shù)滓砭壴O(shè)置螺栓固定的摩擦鋼板耗能、采用摩擦阻尼器耗能等.潘振華等對阻尼器耗能進行ABAQUS參數(shù)分析，證實了這種節(jié)點具有良好的復位、耗能能力.2013年，考慮到框架擴展現(xiàn)象的影響，Darling將梁柱分開，增加梁的繞動空隙，地震中使柱距保持不變.目前，學者們已在自復位結(jié)構(gòu)節(jié)點做了較為深入的研究，但對于樓板對節(jié)點乃至整個結(jié)構(gòu)的影響研究分析的還太少，而本文主要是在前人研究的基礎(chǔ)上，研究樓板對自復位梁柱節(jié)點的性能的影響.

1 有限元分析

為了便于分析和計算，ANSYS為我們提供了190多種結(jié)構(gòu)單元類型[3]，本文根據(jù)實際情況，用10節(jié)點SOLID92單元模擬梁柱、角鋼、加勁肋以及螺栓頭、栓體和螺帽，SOLID45單元模擬樓板，LINK10單元模擬鋼絞線.接觸單元選用CONTA173和TARGE170來模擬，預應力單元選用預應力單元PRETS179.本文中幾何尺寸模型及荷載參數(shù)采用單層單跨的鋼框架進行設(shè)計，梁、柱、樓板分別采用焊接H形鋼Q345，主梁尺寸H×B×T1×T2=400×300×10×15(mm)，鋼柱尺寸H×B×T1×T2=400×400×14×21(mm).本文涉及兩種材料，一類是梁柱板件、角鋼、鋼絞線；另一類是螺栓、螺母，其中梁柱、加勁肋、角鋼，鋼絞線的E=2.06×1011N/mm2，μ=0.3，fy=3.45×108N/m2，ρ=7890 Kg/m3，螺栓E=2.1×1011N/mm2，μ=0.3，fy=6.4×108N/m2，ρ=7890 Kg/m3，梁柱板件、角鋼、鋼絞線材料采用多線性隨動強化模型，螺栓、螺母材料采用雙線性隨動強化模型.材料的屈服強度遵守Von-Mises屈服準則，強化階段采用隨動強化準則.

本文中的框架節(jié)點是從整體結(jié)構(gòu)中截取出來，采用足尺模型分析計算，寬厚比與高厚比均符合現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范的要求，建模過程中主要分析了板的厚度不同和初始預應力不同的情況下，梁中性軸的變化、梁內(nèi)彎曲正應力分布情況，節(jié)點彎矩M與變形轉(zhuǎn)角γ的關(guān)系.ANSYS軟件分析時，對模型進行了適當?shù)暮喕?，如對焊接引起的變形和應力集中不加考慮，將栓頭、柱帽簡化為圓柱體，忽略螺栓頭和螺帽與梁和柱翼緣的接觸問題等[4,5].

本文采用周期荷載加載方式，進行擬靜力分析，采用通過位移控制荷載的加載方式，為了保證結(jié)果的準確性，經(jīng)過實際計算，從7.8 mm的位移量加載，并以每級位移增量7.5 mm循環(huán)遞增至90 mm左右，即2%最大塑性層間移角時停止加載.

利用有限元進行求解時，考慮到二階效應，所以需要采用大變形非線性求解,在軟件中通過NLGEOM,ON來激活大應變效應，分析結(jié)構(gòu)受力，最終得到剛度退化曲線和彎矩—轉(zhuǎn)角曲線，分別如圖1、圖2所示.

圖1 梁柱節(jié)點剛度退化曲線 圖2 梁柱節(jié)點M-θr曲線

根據(jù)現(xiàn)有研究成果，主梁進入塑性的程度不同，板的有效寬度不同，兩者之間是一個遞增的關(guān)系，一般，我們認為，在節(jié)點完全進入塑性，樓板的有效寬度為柱翼緣的2倍，本文中主要是考慮樓板厚度等的影響，所以按最符合實際的情況進行考慮，樓板的有效寬度均取柱翼緣寬度的2倍.圖3、圖4、圖5分別是在樓板有效寬度為2倍柱翼緣寬度時，不同板厚下節(jié)點轉(zhuǎn)角-彎矩圖，由圖中彎矩的變化情況，可以看出，相同轉(zhuǎn)角下，樓板的厚度越大，節(jié)點彎矩越大，兩者成線性增長關(guān)系，之后隨著梁柱節(jié)點的持續(xù)受力，轉(zhuǎn)角雖然增加，但彎矩趨于平穩(wěn)，對比分析樓板有無，可以看出相同轉(zhuǎn)角下，無樓板節(jié)點所受彎矩較大，以上分析說明，在整個結(jié)構(gòu)受力過程中，節(jié)點雖然承受了大部分的力的作用，是我們進行結(jié)構(gòu)計算時考慮的主要方面，但分析結(jié)果表明，樓板亦對節(jié)點具有相當?shù)募s束作用，不能忽視其對節(jié)點擴展性能的影響.

圖3 試件板厚100 mm樓板對節(jié)點性能的影響 圖4 試件板厚130 mm樓板對節(jié)點性能的影響

除了分析了樓板對整個節(jié)點受力性能的影響，本文還分析了在相同板厚和樓板有效作用寬度下，預緊力大小對自復位鋼框架整體性能和承載力的影響，主要是通過在ANSYS12.0中改變初始預應力的大小，從而進行進一步的分析和計算.圖6、圖7、圖8分別是在板厚100 mm，樓板有效寬度為柱翼緣2倍，初始預應力分別為100 KN、120 KN、130 KN下分析得出的節(jié)點滯回曲線圖形，由這三個圖可以看出，首先，節(jié)點的滯回曲線滿足自復位節(jié)點的標準滯回曲線模型，圖形呈中心對稱，自復位能力良好；其次，對比分析結(jié)果，當初始預拉力很小時，角鋼在很小的位移下就會出現(xiàn)塑性變形；隨著初始預拉力的增加，結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力逐漸增強；在循環(huán)荷載作用下，當位移荷載回復至零時，初始預拉力較小結(jié)構(gòu)的恢復能力相對較弱，不利于自復位作用.

圖5 無樓板節(jié)點性能 圖6 鋼絞線初始預應力100 KN

圖7 鋼絞線初始預應力120 KN 圖8 鋼絞線初始預應力130 KN

2 結(jié) 論

有限元分析結(jié)果表明，樓板的存在確實導致了框架受力性能的不同，且隨著樓板厚度的增加，在相同轉(zhuǎn)角下，節(jié)點彎矩增加，框架擴展增強.此外，在自復位結(jié)構(gòu)中，初始預拉力的大小，對結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力有很明顯的影響，由以上結(jié)果得知，在鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計中應對現(xiàn)澆樓板予以合理的考慮，并結(jié)合實際工程施加適當?shù)念A應力，耗能能力和自復位性能得到充分發(fā)揮.

[1]RICLES J,SAUSE R,GARLOCK M,et al.Experimental studies on post-tensioned seismic resistant connections for steel frames [M].Proc,STESSA 2000 Conference.2000:231～238

[2]CHRISTOPOULOS C,FILIATRAULT A,UANG C-M,et al.Post-tensioned energy dissipating connections for moment-resisting steel frames[J].Journal of StructuralEngineering,2002,128(9)：1111～1120

[3]尚曉江，邱峰，趙海峰，李文穎.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應用[M].北京：中國水利水電出版社，2006

[4]劉浩,等.ANSYS 15.0有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014

[5]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007

Research on the Influence of Floor Stiffness in Self-centering Steel-frame Structure

BAIRun-shan1,LIUHong1,BUNa-rui1,ZHAOSi-si2

(1.Hebei University of Architecture,Zhangjiakou,Hebei Province 075000;2.Xuanhua Transportation Bureau,Xuanhua District,Zhangjiakou City,Hebei Province 075100)

The stress performance of steel-frame structure with and without floor is analyzed by ANSYS finite element analyzing software. Under the action of the one-way concentrated load or symmetry-reverse concentrated load,the constraint performance of floor on the self-centering beam-column joints is good,which can improve the seismic performance of whole structure,largely reducing the framework of extensibility.

prestress;self-centering;semi-rigid

2016-12-15

白潤山(1965-)，男，教授，主要從事鋼結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)與混合結(jié)構(gòu)，新型結(jié)構(gòu)體系及材料，裝配式建筑結(jié)構(gòu)等研究.

劉宏(1990-)，女，在讀碩士研究生.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.02.007

TU 3

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