石若利, 潘志成, 李其倫, 謝建斌*

(1. 云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院, 昆明 650504; 2. 中國(guó)水利水電第八工程局有限公司, 長(zhǎng)沙 410004)

采用剛性焊接的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)延性較差、殘余應(yīng)力較大,多發(fā)生脆性破壞,其受力特性會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性能[1]．秦佳俊等[2]分析了鋼框架節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理, 提出了模塊單元新型盒式連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)方法; 馬洪偉等[3]設(shè)計(jì)并制作對(duì)稱雙肋板加強(qiáng)型鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)試件, 通過低周往復(fù)加載試驗(yàn)分析其抗震性能; 王萌等[4]對(duì)可更換延性耗能連接組件的鋼框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行了研究; Wang等[5]設(shè)計(jì)了一種新型連接方式,并與傳統(tǒng)焊接接頭進(jìn)行了比較; Chen等[6]對(duì)變截面鋼框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行了研究; Zhang等[7]研究了地震作用下不同類型搖擺鋼框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能;Jia等[8]對(duì)靜載作用下的高強(qiáng)鋼框架端板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)分析; Deylami等[9]針對(duì)豎向肋板幾何形狀對(duì)鋼梁-上承箱柱節(jié)點(diǎn)循環(huán)性能的影響進(jìn)行了研究．本文擬對(duì)加腋改進(jìn)型鋼框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行分析,為地震多發(fā)地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)抗震研究提供理論依據(jù)．

1 鋼梁柱節(jié)點(diǎn)及材料特性

通過對(duì)三江并流區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的走訪調(diào)查,確定以當(dāng)?shù)爻Ｒ婁摿褐?jié)點(diǎn)為研究對(duì)象．鋼柱采用熱軋鋼HW400 mm×400 mm×25 mm, 高度為3 000 mm; 主梁采用遂寧市闊恒興旺國(guó)際貿(mào)易有限公司的熱軋鋼HN450 mm×200 mm×11.5 mm, 長(zhǎng)度為2 000 mm; 加腋板尺寸采用270 mm×270 mm×11.5 mm．梁柱采用剛性節(jié)點(diǎn),栓焊混合連接．H形鋼柱在梁端翼緣對(duì)應(yīng)柱腹板兩側(cè)各設(shè)2塊與鋼梁翼緣厚度相等的橫向加勁肋,梁翼緣采用全熔透焊與柱翼板連接,梁腹板的兩側(cè)與腹板等厚剪力板采用M16摩擦型高強(qiáng)螺栓連接．各部件結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 各部件結(jié)構(gòu)示意圖(mm)Fig.1 Schematic diagram of components and their dimensions

表1 材料特性值

2 鋼梁柱節(jié)點(diǎn)的有限元模型和加載設(shè)計(jì)

2.1 加固節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

為了突出加固嚴(yán)謹(jǐn)性及可溯性,加腋節(jié)點(diǎn)的相關(guān)設(shè)計(jì)參考美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南[11]．加腋通過上下托臂與梁柱相連,采用V形坡口焊接, 加腋與上下托臂的厚度均為11.5 mm; 加腋板與梁翼緣板等寬,板腋長(zhǎng)寬均取270 mm,如圖2所示．

圖2 鋼框架梁柱加固節(jié)點(diǎn)(mm)Fig.2 Steel frame beam column reinforcement joint

2.2 試驗(yàn)加載設(shè)計(jì)

約束節(jié)點(diǎn)為柱底部x、y、z方向線位移和頂部x、y方向線位移, 防止失穩(wěn)及限制平面外屈曲．采用位移控制的低周往復(fù)加載, 在柱端施加豎直向下的4 MN恒定載荷,加載制度如圖3所示,加載實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示．在柱頂施加豎向軸力,采用循環(huán)加載方式,加腋前后節(jié)點(diǎn)的負(fù)載等級(jí)分別取0.0,0.5,1.0,1.5 MN, 分別記為Sp1、Sp2、Sp3及Sp4．

圖4 加載實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.4 Experimental loading device

2.3 鋼梁柱節(jié)點(diǎn)模型

模型中梁柱的材料Q345根據(jù)表1的鋼材特性進(jìn)行定義;焊縫的性能應(yīng)與母材的性能相適應(yīng),故焊縫抗拉強(qiáng)度取295 MPa,彈性模量取206 GPa;螺栓的抗拉強(qiáng)度取400 MPa,彈性模量取206 GPa;輸入邊界為節(jié)點(diǎn)柱底部約束三向線位移,頂部約束x、y方向線位移;荷載條件為結(jié)構(gòu)的自重,并在柱端施加豎直向下4 MN恒定載荷,施加垂直梁端的循環(huán)載荷．螺栓連接采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬,螺栓的接觸屬性采用ABAQUS自帶的表面與表面接觸,并通過螺栓內(nèi)部的剖面施加螺栓預(yù)緊力．圖5為有限元模型示意圖,表2為有限元模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)．表2結(jié)果顯示,在極限承載力方面有限元結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較小,故可用有限元模型進(jìn)行模擬分析．

圖5 有限元模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of finite element model

表2 節(jié)點(diǎn)承載力

3 結(jié)果分析

3.1 節(jié)點(diǎn)加固前

3.1.1 結(jié)構(gòu)響應(yīng)

圖6為加固前Sp1負(fù)載下節(jié)點(diǎn)的相關(guān)應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D．圖6(a)計(jì)算結(jié)果顯示,鋼梁上下翼緣與柱連接側(cè)接觸區(qū)域,在循環(huán)加載過程中梁端載荷傳遞至梁根部,翼緣板根部承受較大切應(yīng)力,進(jìn)入屈服狀態(tài)并產(chǎn)生殘余應(yīng)力,即使在末尾增量步完全卸載時(shí)也無法消除,其殘余應(yīng)力最大值達(dá)287 MPa．在梁腹板與翼板連接處產(chǎn)生較大局部應(yīng)力,且梁根部上下翼緣板產(chǎn)生較大應(yīng)力,并沿梁端方向的腹板有一定延伸．

圖6 加固前Sp1負(fù)載下節(jié)點(diǎn)的相關(guān)應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍DFig.6 Cloud diagram of stress and strain of Sp1 joint before reinforcement

圖6(b)顯示,最大等效應(yīng)力集中在梁根部與柱連接局部區(qū)域,最大幅值達(dá)398 MPa．梁根部區(qū)域翼板與腹板均受到強(qiáng)大應(yīng)力作用且已進(jìn)入屈服狀態(tài),而此處為梁-柱焊接連接區(qū)域,由于潛在的制造與加工缺陷,此處會(huì)產(chǎn)生較高應(yīng)力,極大地提高了發(fā)生焊縫開裂與節(jié)點(diǎn)失效等隱患的可能性．

從圖6(c)云圖可以看出,鋼框架梁柱初始設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)在循環(huán)荷載作用下,在梁翼緣根部與柱焊縫處發(fā)生嚴(yán)重塑性變形,并在腹板與翼板連接處及剪切板處局部發(fā)生塑性變形與屈曲變形,等效塑性應(yīng)變最大幅值達(dá)到2.4．由于節(jié)點(diǎn)處存在復(fù)雜的幾何構(gòu)造,使梁翼緣根部因焊接加工難度大而產(chǎn)生加工缺陷,導(dǎo)致此處易發(fā)生塑性變形使節(jié)點(diǎn)失效甚至斷裂,對(duì)節(jié)點(diǎn)安全極為不利．

3.1.2 破壞形態(tài)和應(yīng)力云圖

圖7為加固前節(jié)點(diǎn)在不同承載力作用下的應(yīng)力云圖．結(jié)果表明, 梁端不受力時(shí), 加固前節(jié)點(diǎn)在循環(huán)荷載作用過程中梁上下翼緣與柱連接處產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象,且梁腹板連接板與柱相連處亦分配了部分載荷．當(dāng)梁端承受20%極限承載力時(shí),荷載作用過程中加固前節(jié)點(diǎn)塑性變形尚不明顯,塑性鉸形成在梁柱節(jié)點(diǎn)根部距離梁根部約1/4梁高位置,但梁上下翼緣與柱連接處應(yīng)力集中愈發(fā)明顯,柱腹板同樣參與承擔(dān)部分載荷．當(dāng)梁端承受40%極限承載力時(shí),加載過程中梁端進(jìn)入塑性,但仍未產(chǎn)生明顯屈曲現(xiàn)象．塑性鉸形成在梁柱節(jié)點(diǎn)根部距離梁根部約1/4梁高位置,同時(shí)梁上下翼緣與柱連接局部、柱腹板靠近梁中性軸局部及梁腹板剪切板與柱連接上下端局部應(yīng)力高度集中．梁端承受80%極限承載力時(shí),梁上下翼緣與柱連接局部產(chǎn)生嚴(yán)重向外側(cè)屈曲現(xiàn)象．塑性鉸形成在節(jié)點(diǎn)根部距上下翼緣約1/4梁高的腹板處,此時(shí)梁上下翼緣板靠近柱連接處及梁腹板圍繞剪切板的局部均明顯產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象,柱腹板與梁腹板連接區(qū)域以及剪切板與柱連接區(qū)域同樣出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象．

圖7 加固前節(jié)點(diǎn)在不同承載力作用下的應(yīng)力云圖Fig.7 Stress nephogram of joint before reinforcement under different bearing capacity

3.2 節(jié)點(diǎn)加固后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

圖8為加固后Sp1負(fù)載下節(jié)點(diǎn)的相關(guān)應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D．從圖8可以看出, 加固后末尾增量步中等效應(yīng)力依舊產(chǎn)生了殘余應(yīng)力, 最大幅值達(dá)292 MPa, 且比加固前的應(yīng)力分布更均勻, 殘余應(yīng)力主要集中在梁加腋段指向梁端的腹板及翼板區(qū)域;最大等效應(yīng)力集中在梁端下翼緣與加腋板連接區(qū)域,最大幅值達(dá)363 MPa,雖然早已進(jìn)入屈服狀態(tài),但此時(shí)載荷由梁翼板、腹板、加腋板及加勁肋共同承擔(dān),未集中在梁根部與柱連接處,從而減少梁根部與柱焊縫開裂的幾率;等效塑性應(yīng)變集中產(chǎn)生在梁段加腋處上下翼緣,且沿腹板向梁中性軸方向延伸,相較未加固節(jié)點(diǎn),發(fā)生塑性應(yīng)變的位置有所外移．

圖8 加固后Sp1負(fù)載下節(jié)點(diǎn)的相關(guān)應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍DFig.8 Related stress-strain nephogram of strengthened Sp1 joint

3.3 加腋前后抗震性能的變化

3.3.1 滯回曲線

加腋前后及不同負(fù)載條件下節(jié)點(diǎn)滯回曲線如圖9所示．圖9結(jié)果顯示, 負(fù)載情況下加腋后的滯回曲線比加腋前更加飽滿,其滯回環(huán)面積約為加腋前節(jié)點(diǎn)的3倍．這是由于梁柱連接處通過加腋加固,節(jié)點(diǎn)抗震性能隨之提升．同時(shí), Sp1負(fù)載下加固后節(jié)點(diǎn)試件非塑性段的重疊區(qū)域更顯著,表明Sp1負(fù)載下加固后節(jié)點(diǎn)試件擁有更大的變形能力．由圖9(b)(c)(d)可知,不同負(fù)載等級(jí)下加固后節(jié)點(diǎn)試件都表現(xiàn)出飽滿的梭形,循環(huán)數(shù)次后滯回線所圍成的面積相近,這體現(xiàn)了加固后的節(jié)點(diǎn)試件在負(fù)載情況下耗能性能接近, 加固效果突出．

圖9 不同負(fù)載等級(jí)下節(jié)點(diǎn)加腋前后的滯回曲線Fig.9 Hysteresis curves of joints before and after haunching under different load levels

3.3.2 耗能能力

區(qū)分節(jié)點(diǎn)耗能能力強(qiáng)弱程度的重要指標(biāo)是節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角．負(fù)載時(shí)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角φ=(Δ-Δe)/l, 其中Δ為加載點(diǎn)的位移;l為梁的長(zhǎng)度; 梁彈性變形段的位移Δe=Pl3/(3EI), 式中P為施載點(diǎn)外載荷大小,EI為梁的抗彎剛度．極限位移Δu是鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)受力已達(dá)極限承載力并下降到一定幅度時(shí)的位移, 通常取下降到極限承載力85%時(shí)的位移作為極限位移．最大位移Δmax是有限元模擬中梁體的最大撓度. 由極限位移和最大位移計(jì)算得到的轉(zhuǎn)角分別為極限轉(zhuǎn)角φu和最大轉(zhuǎn)角φmax．

在結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)中, 一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)由結(jié)構(gòu)彈塑性引起的耗能等于滯回曲線內(nèi)的面積ΔW．圖10為鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)加固前后循環(huán)加載過程中的耗能曲線．由圖10可知,隨著增量步的增加, Sp1負(fù)載下節(jié)點(diǎn)的能量耗散能力亦隨之提高,且加固后耗能能力明顯提高,能量耗散總量比加固前提高了約49%．表3給出了不同負(fù)載條件下節(jié)點(diǎn)承載力和轉(zhuǎn)角的計(jì)算結(jié)果．隨著負(fù)載等級(jí)的提升,節(jié)點(diǎn)承載力和最大轉(zhuǎn)角絕對(duì)值減少,位移變化量減少．加腋式連接節(jié)點(diǎn)域具有穩(wěn)定的塑性變形能力和良好的耗能能力,抗剪承載力明顯提高; 進(jìn)入塑性階段后,節(jié)點(diǎn)域等效應(yīng)力和剪應(yīng)力有所降低．用加腋板和加勁肋對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)加固后,試件極限承載力顯著提高, 其中在Sp1負(fù)載條件下,鋼框架梁柱極限承載力從161.2 kN提高至359.8 kN,增幅約123.2%,而在Sp2,Sp3,Sp4負(fù)載下鋼框架梁柱極限承載力的增幅分別達(dá)108.8%,101.1%,91.6%．塑性鉸外移至沿外伸梁端方向加勁肋后端的腹板處,使梁柱根部所在的節(jié)點(diǎn)域剪應(yīng)力顯著下降,避免了節(jié)點(diǎn)域可能產(chǎn)生的剪切破壞,從而使節(jié)點(diǎn)域得到有效保護(hù)．因此,加腋不僅可以提高極限承載力和耗能能力,而且可以把破壞點(diǎn)移到梁上距離梁端較遠(yuǎn)的位置,有利于強(qiáng)柱弱梁規(guī)則的發(fā)揮．

表3 不同負(fù)載條件下節(jié)點(diǎn)的承載力和轉(zhuǎn)角

圖10 Sp1負(fù)載下節(jié)點(diǎn)加腋前后的耗能曲線Fig.10 Energy consumption curve of Sp1 joint before and after haunching

3.3.3 承載力及延性

圖11為Sp1負(fù)載下節(jié)點(diǎn)加腋前后的骨架曲線．表4為不同負(fù)載下節(jié)點(diǎn)的承載力及變形能力．結(jié)果顯示: 加載后節(jié)點(diǎn)的極限承載力隨負(fù)載等級(jí)的提高逐漸降低; 非負(fù)載下加固節(jié)點(diǎn)的延性大于有負(fù)載時(shí)的節(jié)點(diǎn),且加腋后的節(jié)點(diǎn)承載力均大于加腋前的節(jié)點(diǎn),但兩者延性的差距相對(duì)較?。傊?節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)隨負(fù)載等級(jí)的提高呈下降趨勢(shì),經(jīng)加腋加固后的試件承載力和延性均有所提高．

表4 不同負(fù)載下節(jié)點(diǎn)承載力及變形能力

圖11 Sp1節(jié)點(diǎn)加腋前后的骨架曲線Fig.11 Skeleton curve of Sp1 joint before and after haunching

3.3.4 剛度退化

圖12為不同負(fù)載下節(jié)點(diǎn)加腋后的剛度退化曲線．由圖12可知, 不同負(fù)載等級(jí)下節(jié)點(diǎn)剛度退化曲線均呈“幾”字形,存在明顯的過渡段和下降段,且負(fù)向階段的剛度退化更明顯．表5為不同負(fù)載下加腋前后節(jié)點(diǎn)最小剛度系數(shù)．由最小剛度系數(shù)的變化可知,加腋前節(jié)點(diǎn)的剛度退化更明顯,且負(fù)載越大,節(jié)點(diǎn)的剛度退化現(xiàn)象越突出,故加腋加固可推遲節(jié)點(diǎn)剛度退化的速度．

圖12 不同負(fù)載下節(jié)點(diǎn)加腋后的剛度退化曲線Fig.12 Stiffness degradation curves of joints with axillary under different loads

表5 加腋前后節(jié)點(diǎn)的最小剛度退化系數(shù)

4 結(jié)論

1) 加腋加固后的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)截面抵抗矩增大,應(yīng)力重分布區(qū)域更長(zhǎng), 實(shí)現(xiàn)了塑性鉸的外移, 有效避免了梁柱節(jié)點(diǎn)根部應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生, 使節(jié)點(diǎn)更好地發(fā)揮其承載及塑性變形能力,防止發(fā)生脆性破壞, 有利于梁柱節(jié)點(diǎn)最大限度地發(fā)揮其抗震性能．

2) 循環(huán)加載下節(jié)點(diǎn)試件的滯回曲線呈飽滿的梭形, 表明節(jié)點(diǎn)有可靠的耗能能力,加固作用顯著．

3) 循環(huán)加載下節(jié)點(diǎn)剛度退化規(guī)律相似,節(jié)點(diǎn)經(jīng)加腋加固后延遲了節(jié)點(diǎn)剛度退化的速度．