黃遠(yuǎn)，朱正庚，郭亞飛

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082； 2.中民筑友科技集團(tuán)，湖南 長(zhǎng)沙 410005)

大震下鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)調(diào)和變形機(jī)制與設(shè)計(jì)方法*

黃遠(yuǎn)1?，朱正庚2，郭亞飛1

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082； 2.中民筑友科技集團(tuán)，湖南 長(zhǎng)沙 410005)

為了提高鋼框架結(jié)構(gòu)的變形能力，進(jìn)而改善其抗震性能，建立了鋼框架結(jié)構(gòu)梁端-節(jié)點(diǎn)區(qū)調(diào)和變形機(jī)制，通過(guò)增加節(jié)點(diǎn)區(qū)的剪切變形來(lái)降低對(duì)梁端的轉(zhuǎn)動(dòng)需求.首先采用通用非線性有限元軟件MSC.Marc建立鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的有限元模型，對(duì)已有試驗(yàn)進(jìn)行非線性有限元分析，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好.在驗(yàn)證了有限元模型合理性的基礎(chǔ)上，分析了不同參數(shù)條件下，層間位移角為0.04時(shí)鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)區(qū)剪切變形和梁端變形的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了影響梁端和節(jié)點(diǎn)區(qū)變形的關(guān)鍵參數(shù).在此基礎(chǔ)上提出了梁端-節(jié)點(diǎn)區(qū)調(diào)和變形的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法，為鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)提供參考.

鋼框架；梁柱節(jié)點(diǎn)；變形；有限元；抗震設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)以其強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、延性好、施工速度快、抗震性能好、綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高層和超高層建筑中[1-2].在大震作用下，鋼結(jié)構(gòu)通過(guò)在梁端形成塑性鉸來(lái)耗散地震輸入的能量，以保持結(jié)構(gòu)的整體性，實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo).因此，梁柱節(jié)點(diǎn)在鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能中扮演著舉足輕重的角色[3].

Northrige地震和Kobe地震中，大量鋼結(jié)構(gòu)建筑在梁柱連接的節(jié)點(diǎn)處發(fā)生脆性破壞，研究者開(kāi)始重新審視鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)[4].Engelhardt等人[5]的研究表明，焊接的質(zhì)量對(duì)鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能具有重要影響.楊尉彪等人[6]提出了改進(jìn)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式，包括梁端局部加強(qiáng)、局部削弱等措施.

鋼框架的層間位移角由3部分組成：θ=θc+θpz+θb，其中θc為柱的變形引起的層間位移角，稱為柱的轉(zhuǎn)角；θpz為節(jié)點(diǎn)區(qū)剪切變形引起的層間位移角，稱為節(jié)點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)角；θb為梁端變形引起的層間位移角，稱為梁端轉(zhuǎn)角.我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]規(guī)定，多、高層鋼結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角限值為0.02，美國(guó)AISC規(guī)范[8]認(rèn)為在大震下，高延性鋼框架結(jié)構(gòu)在接近破壞時(shí)的層間位移角將有可能遠(yuǎn)大于0.02，層間位移角的變形需求將高達(dá)0.04.為了達(dá)到層間位移角0.04的高延性目標(biāo)，本文建立梁端-節(jié)點(diǎn)區(qū)調(diào)和變形機(jī)制并對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究.大量試驗(yàn)研究表明[9-10]，剛性連接鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)在梁端轉(zhuǎn)角達(dá)到0.02～0.03時(shí)，梁、柱翼緣處焊縫開(kāi)始出現(xiàn)脆性裂紋，構(gòu)件發(fā)生破壞.在強(qiáng)柱弱梁的抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則下，鋼框架節(jié)點(diǎn)區(qū)幾乎不參與節(jié)點(diǎn)變形，但Lee等人[11-12]的研究發(fā)現(xiàn)，合理利用鋼框架節(jié)點(diǎn)區(qū)的剪切變形，使節(jié)點(diǎn)區(qū)和梁端共同變形以消耗地震能量，能夠顯著改善大震下鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能.試驗(yàn)研究表明，節(jié)點(diǎn)區(qū)的極限剪切變形為0.025～0.04[13].由于梁端或節(jié)點(diǎn)區(qū)各自的極限變形均不能達(dá)到0.04，因此，為保證大震下鋼框架結(jié)構(gòu)在層間位移角達(dá)到0.04時(shí)，梁、柱翼緣處的焊縫以及節(jié)點(diǎn)區(qū)不發(fā)生提前破壞，本文提出梁端-節(jié)點(diǎn)區(qū)調(diào)和變形機(jī)制，使大震下節(jié)點(diǎn)區(qū)和梁端二者協(xié)同均勻變形，節(jié)點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)角和梁端轉(zhuǎn)角各占層間位移角的40%～50%，共同耗散地震能量.這樣就能保證在梁端及節(jié)點(diǎn)區(qū)均不發(fā)生破壞的前提下，結(jié)構(gòu)的層間位移角達(dá)到大震的高延性變形目標(biāo)0.04.

為了實(shí)現(xiàn)梁端-節(jié)點(diǎn)區(qū)調(diào)和變形，本文首先采用有限元軟件MSC.Marc建立了鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)精細(xì)非線性有限元分析模型，在驗(yàn)證了有限元模型的合理性和適用性之后，通過(guò)參數(shù)分析，提出了層間位移角為0.04時(shí)，使鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)角和梁端轉(zhuǎn)角各占層間位移角的40%～50%，可使梁端-節(jié)點(diǎn)區(qū)調(diào)和變形的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)化，為鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供參考.

1 有限元模型及模型驗(yàn)證

1.1 有限元模型

在三維有限元模型中，采用殼單元模擬鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)，當(dāng)梁柱的翼緣和腹板的寬度和厚度之比(以下簡(jiǎn)稱寬厚比)小于等于5%時(shí)，采用薄殼單元(TYPE 139)，當(dāng)寬厚比大于5%時(shí)，采用厚殼單元(TYPE 75).模型中的鋼材采用雙折線彈塑性本構(gòu)模型，如圖 1所示，圖中fy和εy分別為鋼材的屈服強(qiáng)度和屈服應(yīng)變.鋼材的泊松比取為0.3，彈性模量為2.0×105N/mm2，屈服準(zhǔn)則采用Von Mises屈服準(zhǔn)則.求解控制采用程序默認(rèn)的Full Newton-Raphson平衡迭代法，收斂準(zhǔn)則采用相對(duì)力收斂，模型將發(fā)生較大的彈塑性變形，為考慮幾何非線性，打開(kāi)求解控制的大應(yīng)變選項(xiàng).有限元模型如圖 2所示.

圖1 鋼材的本構(gòu)關(guān)系Fig.1 The constitutive relation of steel

圖2 有限元模型Fig.2 The finite element model

1.2 模型驗(yàn)證

郭兵等[14]進(jìn)行了6個(gè)不同類型的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)單調(diào)加載試驗(yàn)，得到了梁柱連接截面的彎矩與梁端位移、節(jié)點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，采用上述參數(shù)設(shè)置對(duì)焊接連接的試件JS1進(jìn)行有限元分析.試件JS1梁長(zhǎng)1.0 m，截面尺寸為H200×130×6×8，柱高1.0 m，截面尺寸為H180×180×8×10，鋼材實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度平均值為319 N/mm2，節(jié)點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)角的測(cè)量計(jì)算方法與文獻(xiàn)[14]相同，計(jì)算結(jié)果如圖 3所示.從圖3(a)可以看出，有限元分析得到的梁柱連接截面彎矩-梁端位移曲線與試驗(yàn)曲線幾乎完全重合；從圖3(b)可以看出，梁柱連接截面彎矩-節(jié)點(diǎn)區(qū)剪切變形曲線的前1/3與試驗(yàn)曲線幾乎完全重合，后2/3部分較試驗(yàn)值偏大.從總體上看，有限元分析曲線與試驗(yàn)曲線的走向基本一致，誤差在可以接受的范圍之內(nèi)，可以認(rèn)為兩者吻合良好.

(a)M-Δ曲線

(b)M-θ曲線圖3 試件JS1驗(yàn)證曲線Fig.3 Model validation curves of JS1

Lee等[11]進(jìn)行了8個(gè)梁端削弱的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的滯回試驗(yàn)，同樣采用上述參數(shù)設(shè)置對(duì)焊接連接的試件DB700-SW進(jìn)行有限元分析.試件DB700-SW梁長(zhǎng)3 597 mm，截面尺寸為H700×300× ～13×24，翼緣的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度分別為304 N/mm2和455 N/mm2，腹板的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度分別為364 N/mm2和480 N/mm2；柱高3 500 mm，截面尺寸為H428×407×20×35，翼緣的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為343 N/mm2和512 N/mm2，腹板的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為358 N/mm2和520 N/mm2，其他詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[11].本文采用單調(diào)加載的方法模擬滯回試驗(yàn)，因?yàn)閱握{(diào)加載計(jì)算效率高，單調(diào)加載曲線與滯回試驗(yàn)的骨架曲線幾乎重合，誤差在可以接受的范圍之內(nèi)，能夠反映構(gòu)件的受力特性.計(jì)算結(jié)果如圖 4所示，其中圖4(a)為梁柱連接截面的彎矩-層間位移角曲線，圖4(b)為梁端荷載-梁下翼緣靠近柱表面處的應(yīng)變曲線.

(a)M-θ曲線

(b)P-ε曲線圖4 試件DB700-SW驗(yàn)證曲線Fig.4 Model validation curves of DB700-SW

從圖4(a)可以看出，有限元分析得到的梁柱連接截面的彎矩-層間位移角曲線與試驗(yàn)得到的骨架曲線吻合良好；從圖4(b)可以看出，有限元分析得到的梁端荷載-梁下翼緣靠近柱表面處的彎曲應(yīng)變曲線在拐角處不如試驗(yàn)曲線平滑，呈明顯的雙折線形式，這是因?yàn)槟Ｐ椭袖摬牟捎玫氖请p折線的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，而實(shí)際中鋼材屈服后會(huì)有一個(gè)屈服平臺(tái)，有限元分析得到的梁端荷載比試驗(yàn)值略大.從總體上看，有限元分析曲線與試驗(yàn)骨架曲線的變化趨勢(shì)基本一致，誤差在可以接受的范圍之內(nèi)，可以認(rèn)為兩者吻合良好.

從以上兩個(gè)算例可以看出，本文提出的有限元模型不僅能夠從整體上模擬鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，而且能準(zhǔn)確地模擬出節(jié)點(diǎn)的變形性能以及局部應(yīng)變等信息.因此，可以應(yīng)用本文的有限元模型，對(duì)鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)在大震下的變形耗能性能進(jìn)行深入分析.

2 梁柱節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角測(cè)量計(jì)算方法

為了對(duì)鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的變形耗能性能進(jìn)行深入研究，首先必須確定梁柱節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角的測(cè)量計(jì)算方法.結(jié)合文獻(xiàn)[15]的建議，本文采用了如圖 5所示的轉(zhuǎn)角測(cè)量計(jì)算方法.圖中數(shù)字處均設(shè)置位移計(jì)，其中1，2，3，4，7和8測(cè)量的水平位移分別為Δ1，Δ2，Δ3，Δ4，Δ7和Δ8；5，6，9和10測(cè)量的豎向位移分別為Δ5，Δ6，Δ9和Δ10.

圖5 轉(zhuǎn)角測(cè)量計(jì)算方法和節(jié)點(diǎn)區(qū)受力圖Fig.5 The rotation measuring and calculating method and panel zone forces

柱的轉(zhuǎn)角為：

(1)

式中：H為柱高；db為梁截面高度；dc為柱截面高度；tcf為柱翼緣厚度.節(jié)點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)角為：

(2)

式中：θ為梁柱節(jié)點(diǎn)的層間位移角；tbf為梁翼緣厚度.梁端轉(zhuǎn)角為：

(3)

式中：L為梁的長(zhǎng)度.

經(jīng)有限元分析驗(yàn)證，該鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角測(cè)量計(jì)算方法能夠很好地滿足理論公式：θ=θc+θpz+θb，能夠比較準(zhǔn)確地計(jì)算出梁柱節(jié)點(diǎn)各部分的轉(zhuǎn)角變形.

3 參數(shù)分析

分別選取柱截面高度，柱截面寬度，柱翼緣厚度，柱腹板厚度，梁截面高度，梁截面寬度，梁翼緣厚度，梁腹板厚度，帶加強(qiáng)板時(shí)節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板厚度作為分析參數(shù)，如表 1所示.其中，基準(zhǔn)模型的柱截面尺寸為H500×300×12×20，梁截面尺寸為H500×250×10×15，鋼材的屈服強(qiáng)度為400 N/mm2，泊松比為0.3，彈性模量為2.0×105N/mm2，框架柱的高度和框架梁的長(zhǎng)度均為2 000 mm.柱、梁截面的塑性模量比值為1.43，滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》“強(qiáng)柱弱梁”的抗震設(shè)計(jì)要求，截面尺寸滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求.

不同參數(shù)變化情況下，層間位移角為0.04時(shí)，梁端轉(zhuǎn)角和節(jié)點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線如圖 6所示.由圖6可知，影響鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)變形的關(guān)鍵參數(shù)為柱截面高度、柱腹板厚度、梁截面寬度、梁翼緣厚度和節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板厚度.

表1 參數(shù)分析取值

從圖 6(a)可以看出，鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)在層間位移角為0.04時(shí)，隨著柱截面高度的增加，節(jié)點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)角顯著減小，梁端轉(zhuǎn)角顯著增大，柱截面高度為300 mm時(shí)，層間位移角主要由節(jié)點(diǎn)區(qū)變形承擔(dān)，柱截面高度為700 mm時(shí)，層間位移角主要由梁端變形承擔(dān).

從圖 6(b)可以看出，鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)在層間位移角為0.04時(shí)，隨著柱截面寬度的增加，節(jié)點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)角逐漸減小，梁端轉(zhuǎn)角逐漸增大，但變化都不是特別顯著.說(shuō)明柱截面寬度對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)的變形分配影響不大.

從圖 6(c)可以看出，鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)在層間位移角為0.04時(shí)，柱翼緣厚度對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)變形的影響與柱截面寬度對(duì)其變形的影響類似，隨著柱翼緣厚度的增大，節(jié)點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)角逐漸減小，梁端轉(zhuǎn)角逐漸增大，但變化都不是特別顯著.說(shuō)明柱翼緣厚度對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)的變形分配影響同樣不大.

從圖 6(d)可以看出，鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)在層間位移角為0.04時(shí)，隨著柱腹板厚度的增加，節(jié)點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)角顯著減少，梁端轉(zhuǎn)角顯著增大，當(dāng)柱腹板厚度增大到一定程度時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)的變形分配幾乎不再發(fā)生變化，層間位移角幾乎完全由梁端變形承擔(dān).

從圖 6(e)可以看出，鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)在層間位移角為0.04時(shí)，隨著梁截面高度的增加，節(jié)點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)角先增大后減小，梁端轉(zhuǎn)角先減小后增大，但從整體上看，梁截面高度對(duì)鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的變形分配影響不是很大.

從圖 6(f)可以看出，鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)在層間位移角為0.04時(shí)，隨著梁截面寬度的增大，節(jié)點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)角顯著增大，梁端轉(zhuǎn)角顯著減小，層間位移角從幾乎完全由梁端變形承擔(dān)向幾乎完全由節(jié)點(diǎn)區(qū)變形承擔(dān)轉(zhuǎn)變.

(a)不同柱截面高度下的分析曲線 (b)不同柱截面寬度下的分析曲線 (c)不同柱翼緣厚度下的分析曲線

(d)不同柱腹板厚度下的分析曲線 (e)不同梁截面高度下的分析曲線 (f)不同梁截面寬度下的分析曲線

(g)不同梁翼緣厚度下的分析曲線 (h)不同梁腹板厚度下的分析曲線 (i)不同節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板厚度下的分析曲線圖6 梁端-節(jié)點(diǎn)區(qū)變形曲線Fig.6 The deformation curves of beam end-panel zone

從圖 6(g)可以看出，在層間位移角為0.04時(shí)，隨著梁翼緣厚度的增大，節(jié)點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)角顯著增大，梁端轉(zhuǎn)角顯著減小.

從圖 6(h)可以看出，鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)在層間位移角為0.04時(shí)，隨著梁腹板厚度的增加，節(jié)點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)角明顯增大，梁端轉(zhuǎn)角明顯減小.

鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)可以采用在節(jié)點(diǎn)區(qū)增設(shè)加強(qiáng)板的方式調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的變形分配，因此，設(shè)有加強(qiáng)板的梁柱節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板厚度等于柱腹板厚度加上加強(qiáng)板的厚度.從圖 6(i)可以看出，鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)在層間位移角為0.04時(shí)，隨著節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板厚度的增加，節(jié)點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)角顯著減小，后保持不變，梁端轉(zhuǎn)角顯著增大，后保持不變，當(dāng)節(jié)點(diǎn)區(qū)的腹板厚度較大時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)的層間位移角主要由梁端變形承擔(dān)，過(guò)厚的節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板厚度并不能改善鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能，反而會(huì)影響節(jié)點(diǎn)的調(diào)和耗能能力.因此，可以采用在節(jié)點(diǎn)區(qū)設(shè)置加強(qiáng)板的方式調(diào)節(jié)梁柱節(jié)點(diǎn)的變形分配，改善節(jié)點(diǎn)在大震下的抗震性能，但加強(qiáng)板的厚度要適當(dāng).

4 簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法

為了綜合考慮各關(guān)鍵參數(shù)對(duì)梁端及節(jié)點(diǎn)區(qū)變形的影響，將這些影響因素總結(jié)為簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)方法，本節(jié)將定義無(wú)量綱化的節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板厚度.

如圖 5所示，梁的最大彎矩出現(xiàn)在梁柱連接截面處，取梁的抗彎承載力為[16]：

Mb=γWfy

(4)

式中：γ為梁截面塑性發(fā)展系數(shù)，取1.05；W為梁截面繞強(qiáng)軸的截面模量；fy為鋼材的屈服強(qiáng)度.此時(shí)節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板承受的彎矩為：

(5)

節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板承受的剪力為：

Vpz=Mcc/(db-tfb)-Mcc/H

(6)

美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[8]提出鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)腹板抗剪承載力計(jì)算公式為：

(7)

式中：Fyc為柱鋼材的屈服強(qiáng)度；tpz為節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板厚度，不設(shè)加強(qiáng)板時(shí)即為柱腹板厚度；bcf為柱翼緣寬度.令公式(6)等于公式(7)，計(jì)算得到一個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板厚度值[12]，本文稱為平衡節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板厚度tbalance：

tbalance=

(8)

定義無(wú)量綱化的節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板厚度：

γt=tpz/tbalance

(9)

將前文的模型計(jì)算結(jié)果以無(wú)量綱化的節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板厚度γt為橫坐標(biāo)，以節(jié)點(diǎn)區(qū)和梁端轉(zhuǎn)角占層間位移角的百分比為縱坐標(biāo)作散點(diǎn)圖，如圖 7所示.從圖7可以看出，當(dāng)層間位移角為0.04時(shí)，節(jié)點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)角和梁端轉(zhuǎn)角各占層間位移角的40%～50%，即在地震作用下，節(jié)點(diǎn)區(qū)和梁消耗的能量各占總輸入地震能量的40%～50%時(shí)，無(wú)量綱化的節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板厚度γt為1.05～1.20.因此，大震作用下取1.05≤γt≤1.20，能夠使鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)在層間位移角達(dá)到0.04時(shí)，梁端-節(jié)點(diǎn)區(qū)調(diào)和變形，梁、柱翼緣處的焊縫及節(jié)點(diǎn)區(qū)不發(fā)生提前破壞，節(jié)點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)角和梁端轉(zhuǎn)角各占層間位移角的40%～50%，共同耗散地震能量.

(a)節(jié)點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)角

(b)梁端轉(zhuǎn)角圖7 層間位移角為0.04時(shí)的變形Fig.7 Deformation of the story drift ratio 0.04

5 結(jié) 論

本文對(duì)大震下鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)調(diào)和變形機(jī)制與設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

1)有限元模型能夠較好地模擬剛性連接鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的受力性能和變形性能，可以用來(lái)對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析和校核.本文提出的梁柱節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角測(cè)量計(jì)算方法能夠比較準(zhǔn)確地計(jì)算出梁柱節(jié)點(diǎn)各部分的轉(zhuǎn)角變形.

2)參數(shù)分析表明，柱截面高度、柱腹板厚度、梁截面寬度、梁翼緣厚度和節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板厚度是影響大震下鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)變形的關(guān)鍵參數(shù)，可以通過(guò)改變上述參數(shù)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)角和梁端轉(zhuǎn)角各占層間位移角的比例.

3)大震下取無(wú)量綱化的節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板厚度1.05≤γt≤1.20，能夠使鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)在層間位移角達(dá)到0.04時(shí)，梁、柱翼緣處的焊縫及節(jié)點(diǎn)區(qū)不發(fā)生提前破壞，結(jié)構(gòu)具有良好的調(diào)和變形耗能性能.本文提出的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法能夠?yàn)榇笳鹣落摽蚣芰褐?jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)提供參考.

本文結(jié)論適用于鋼框架梁柱剛接節(jié)點(diǎn)的分析和設(shè)計(jì).對(duì)于鋼框架的半剛性節(jié)點(diǎn)以及考慮樓板組合作用和軸力影響的梁柱節(jié)點(diǎn)調(diào)和變形機(jī)制，以及調(diào)和耗能機(jī)制的試驗(yàn)驗(yàn)證工作，還需要進(jìn)一步研究.

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Concerted Deformation Mechanism and Design Method of SteelFrame Beam-column Joints under Rare Earthquakes

HUANG Yuan1?, ZHU Zhenggeng2, GUO Yafei1

(1.College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082,China；2.China MingSheng Drawin Technology Group,Changsha 410005,China)

In order to improve the deformation capacity of the steel frame structure so as to enhance the seismic performance，in this paper，a concerted deformation mechanism between the steel beam and panel zone was built by increasing the shear deformation of the panel zone so that the rotation demand of the steel beam may be reduced.Nonlinear finite element (FE) models of the steel frame beam-column joints were also established by using MSC.Marc.The results from the FE models fit well with the test data.Based on the reasonability of the FE models，parametric analyses were carried out to explore the relationship between the shear deformation of the panel zone and the deformation of the beam end in the beam-column joints when the story drift ratio is 0.04.The key parameters that affect the deformation of the beam end and the panel zone were identified.A simplified design method of the concerted deformation between the steel beam and panel zone was proposed，which may provide references for seismic design of the steel frame beam-column joints under rare earthquakes.

steel frames; beam-column joints; deformation; finite element; seismic design

1674-2974(2017)07-0016-07

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.07.003

2016-03-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51478174)，National Natural Science Foundation of China(51478174)；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(14JJ3054)，Natural Science Foundation of Hunan Province of China (14JJ3054)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2016HNDX)，F(xiàn)undamental Research Funds for the Central Universities (2016HNDX)

黃遠(yuǎn)(1982—)，男，湖南衡陽(yáng)人，湖南大學(xué)副教授，博士?通訊聯(lián)系人,E-mail: huangy@hnu.edu.cn

TU391

A