趙濱宇，董錦坤，秦鵬亮

節(jié)點(diǎn)域厚度對節(jié)點(diǎn)抗震性能影響的有限元分析

趙濱宇1，董錦坤1，秦鵬亮2

（1.遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.平頂山市公路交通勘察設(shè)計院，河南 平頂山 467000）

利用大型有限元分析軟件ABAQUS對隔板貫通式箱型柱與H型鋼梁普通型梁柱節(jié)點(diǎn)(the diaphragm-through type steel box column and H-style steel normal beam，DTN)采用低周往循環(huán)位移加載。得出結(jié)論：當(dāng)節(jié)點(diǎn)域厚度較小時，結(jié)構(gòu)具有良好的延性性能。節(jié)點(diǎn)的滯回曲線變化隨著節(jié)點(diǎn)域腹板厚度增大變化較小、隨著節(jié)點(diǎn)域腹板厚度增加，節(jié)點(diǎn)的剛度退化現(xiàn)象會逐漸減小。

節(jié)點(diǎn)域；有限元；滯回曲線；延性

在實際工程中，混凝土或鋼框架節(jié)點(diǎn)域受力特性有其自身的特點(diǎn)[1]，此節(jié)點(diǎn)域部位受力狀態(tài)較為復(fù)雜。對該部位節(jié)點(diǎn)域的研究有著很重要的工程意義。本文對隔板貫通式箱型柱與H型鋼梁普通型梁柱節(jié)點(diǎn)(DTN)進(jìn)行有限元模擬分析，以(DTN)節(jié)點(diǎn)域作為研究對象，確立該節(jié)點(diǎn)域節(jié)點(diǎn)厚度為5個數(shù)量等級，分別為4、6、8、10、12 mm，分析該節(jié)點(diǎn)域的滯回曲線、延性系數(shù)、骨架曲線對節(jié)點(diǎn)抗震受力性能的影響。建立三維有限元模型，并采用低周往復(fù)循環(huán)位移加載方式，分析節(jié)點(diǎn)的抗震性能。

1 節(jié)點(diǎn)情況

本文所述DTN節(jié)點(diǎn)的鋼材采用Q345；隔板選矩形截面鋼材尺寸為300 mm×300 mm×8 mm。

鋼梁選型工字型鋼材尺寸為200 mm×100 mm×6 mm×8 mm，從跨中截取一半梁長1.80 m；箱型截面鋼柱的尺寸為250 mm×250 mm×8 mm，截取整柱高的二分之一為3.0 m。

按照規(guī)范要求，采用的節(jié)點(diǎn)域腹板厚度按遞增規(guī)律，分別為4、6、8、10、12 mm。

2 模型建立

2.1 網(wǎng)格劃分

柱子上段區(qū)域和下段區(qū)域的種子布置采用0.05，單元形狀采用六面體(Hex)。單元節(jié)點(diǎn)處隔板的種子采用0.025，單元形狀也采用六面體單元。鋼梁的種子采用0.025，單元形狀則采用四面體單元(Tet)。模型整體采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)劃分網(wǎng)格。

2.2 約束定義

首先設(shè)置一個參考點(diǎn)，將力施加在這個參考點(diǎn)上，參考點(diǎn)則與梁端進(jìn)行耦合約束，實施對梁端位移的控制。

2.3 邊界約束和荷載

為使節(jié)點(diǎn)的受力性能接近現(xiàn)實的地震力，在柱底部3個方向X、Y、Z實施全約束，在頂部X、Y 2個方向?qū)嵤┘s束，同時在柱頂部施加軸向壓力，軸壓比為0.4。為避免節(jié)點(diǎn)在后期加載階段由于扭轉(zhuǎn)而不能收斂，在有限元模擬分析過程中約束X方向的位移。位移加載按照±Δ，±2Δ，±3Δ，±4Δ，…，±10Δ進(jìn)行加載，其中Δ為梁全截面的屈服位移，經(jīng)計算約為10 mm[2]。根據(jù)材料力學(xué)的四大假定之一，假定材料是均質(zhì)的、內(nèi)部完全充滿的連續(xù)體，此時，循環(huán)加載只需1圈。得到的DTN系列節(jié)點(diǎn)的有限元模型如圖1所示。

圖1 試件模型

3 結(jié)果分析

依據(jù)不同節(jié)點(diǎn)域厚度建立了隔板貫通式箱型柱-H型鋼梁普通型（DTN）節(jié)點(diǎn)的5個有限元模型：DTN-4、DTN-6、DTN-8、DTN-10、DTN-12，分別在10、20、40、60、70、100 mm 6個級別位移加載。整理分析由ABAQUS軟件模擬計算所得結(jié)果，并討論DTN節(jié)點(diǎn)的滯回曲線、延性、骨架曲線3個方面，然后找出節(jié)點(diǎn)域腹板厚度的變化對節(jié)點(diǎn)抗震性能影響的規(guī)律。

3.1 滯回曲線分析

使用滯回曲線分析了DTN-4、DTN-6、DTN-8、DTN-10、DTN-12 5個試件的梁端反力-位移。將5條曲線畫在同一坐標(biāo)系當(dāng)中，如圖2所示。

圖2 滯回曲線

由圖2可知，節(jié)點(diǎn)的滯回曲線變化隨著節(jié)點(diǎn)域腹板厚度增大變化較小，滯回曲線的飽滿程度及包絡(luò)面積決定了節(jié)點(diǎn)的耗能能力，5個模型試件的滯回曲線呈干扁的梭形，形狀欠飽滿。而所有5條曲線相互距離很近，包絡(luò)面積較小，因而耗能能力較差；隨著節(jié)點(diǎn)域腹板厚度增加，節(jié)點(diǎn)的剛度退化現(xiàn)象會逐漸減小。

3.2 延性系數(shù)分析

不同的節(jié)點(diǎn)域厚度對延性有較大的影響[3]，本文通過延性計算公式得到延性系數(shù)的計算結(jié)果，見表1。

表1 不同節(jié)點(diǎn)域厚度延性系數(shù)

DTN-4DTN-6DTN-8DTN-10DTN-12 Δu/mm68.580459.394858.653959.5459.8916 Δy/mm10.94169.209713.539413.539413.5394 μ6.26796.44924.33214.39754.3496

相應(yīng)的延性系數(shù)與節(jié)點(diǎn)域厚度之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 延性系數(shù)與節(jié)點(diǎn)域厚度關(guān)系圖

由表1和圖3可知，對于隔板貫通式箱型柱-H型鋼梁普通型節(jié)點(diǎn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)域厚度不大于6 mm時，延性基本不變，隨著增加節(jié)點(diǎn)域的厚度由6 mm增加到8 mm，延性有一個較大幅度的下降，當(dāng)下降到某一相對固定值時，維持穩(wěn)定，不再變化。從圖3中可以看出，節(jié)點(diǎn)域厚度在4 mm或者6 mm時，延性性能較好。

3.3 骨架曲線分析

分別對不同節(jié)點(diǎn)域厚度的5個模型進(jìn)行骨架曲線分析，得到骨架曲線如圖4。

圖4 骨架曲線對比

由圖4可以看出，在彈性受力階段，各個骨架曲線基本互相重合，節(jié)點(diǎn)剛度受節(jié)點(diǎn)域厚度影響不明顯，同時退化以及強(qiáng)化現(xiàn)象不顯著；節(jié)點(diǎn)的初始剛度與節(jié)點(diǎn)域厚度呈正相關(guān)，即節(jié)點(diǎn)域厚度越大，初始剛度越大；節(jié)點(diǎn)的極限承載力隨著節(jié)點(diǎn)域厚度的增加，小幅度地先減少后增加。

4 結(jié)語

以節(jié)點(diǎn)域作為研究對象，取節(jié)點(diǎn)域厚度為參數(shù)，并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論。

(1)由滯回曲線分析可知，對于隔板貫通式箱型柱-H型鋼梁普通型節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的滯回曲線變化隨著節(jié)點(diǎn)域腹板厚度增大變化較小，5個模型試件的滯回曲線形狀都不飽滿，呈干扁的梭形，滯回曲線包絡(luò)面積相對較小，耗能能力較弱；隨著節(jié)點(diǎn)域腹板厚度增加，節(jié)點(diǎn)的剛度退化現(xiàn)象會逐漸減小。

(2)由延性系數(shù)分析可知，對于隔板貫通式箱形柱-H型鋼梁普通型節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的延性隨節(jié)點(diǎn)域厚度的增加不斷下降，當(dāng)下降至某一水平后，基本不再變化。節(jié)點(diǎn)域厚度較小時，延性性能良好。

(3)由骨架曲線分析可知，在彈性受力階段，節(jié)點(diǎn)的剛度維持穩(wěn)定，且無其他現(xiàn)象發(fā)生；節(jié)點(diǎn)的初始剛度與節(jié)點(diǎn)域厚度呈正相關(guān)，即厚度越大，初始剛度越大；節(jié)點(diǎn)極限承載力在一定條件下會受到節(jié)點(diǎn)域厚度的影響，隨著節(jié)點(diǎn)域厚度的增加，小幅度地先減少后增加。

[1] 張慶國. 考慮混凝土樓板影響的鋼框架節(jié)點(diǎn)域受力性能研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2009.

[2] 謝光杰. 箱形柱(中柱)-H型鋼梁節(jié)點(diǎn)斷裂機(jī)理及延性節(jié)點(diǎn)研究[D]. 寧波: 寧波大學(xué), 2013.

[3] 陳飛, 董錦坤, 孫洪軍, 等. 節(jié)點(diǎn)域厚度對普通梁柱節(jié)點(diǎn)延性性能影響的研究[J]. 遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2014, 34(3): 184-186.

Finite Element Analysis of Influence of Joint Domain Thickness on the Seismic Performance of Joints

ZHAO Bin-yu1, DONG Jin-kun1, QIN Peng-liang2

（1.School of Civil and Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China;2.Pingdingshan Highway Traffic Survey and Design Institute, Pingdingshan 467000, China）

In this paper, the large-scale finite element analysis software ABAQUS is used to analyze the ordinary beam-column joint between diaphragm through box column and H-shaped steel beam (the diaphragm-through type steel box column and H-style steel normal beam, DTN) is loaded by low cyclic displacement.It is concluded that Hysteresis curve changes less with the increase of the node domain web thickness, and with the increase of the node domain web thickness, node stiffness degradation phenomenon will gradually decrease.

joint zone; finite element; hysteresis curve; ductility

TU391

A

1674-3261(2021)02-0129-03

10.15916/j.issn1674-3261.2021.02.012

2020-11-06

遼寧省高校基本科研項目(JFL201715402)

趙濱宇(1995-)，男，遼寧錦州人，碩士生。

董錦坤(1965-)，男，遼寧凌海人，教授，博士。

責(zé)任編校：孫 林