深柱—削弱梁刚性连接循环性能的理论分析

杨江鹏,陈向荣,赵 锦

(西安建筑科技大学土木工程学院,西安710055)

1 概述

1994年Northridge地震和1995年日本阪神地震中,梁柱节点在梁柱截面处并没有出现预想的塑性变形而是都出现了脆性破坏,为了避免这些现象的发生,研究者提出了采用钢梁翼缘削弱(RBS)的构造方式,来达到强柱弱梁的抗震要求[1-2]。削弱梁截面的设计使塑性铰远离节点处,内移至梁翼缘上,众多的试验研究证实了这种改进的有效性。在钢结构抗弯框架构件中梁柱的尺寸取决于建筑规范中要求的侧向刚度,考虑到结构的经济性,设计工程师经常采用深柱来控制结构的抗震侧移。国内关于钢框架梁柱刚性连接着重研究的是梁的性能及设计构造,对于柱的研究相对很少,而实际上在削弱梁发生侧向屈曲时,引起的梁翼缘偏心力导致柱翼缘截面扭矩,由此使柱发生翘曲,影响柱子的稳定性,所以研究这种抗弯连接柱的翘曲就很有意义。

大量试验研究都证明了削弱梁柱节点的在循环荷载作用下的延性节点性能,但是那些试验的削弱梁节点中的柱大多都是W14截面,截面高度一般都在400～465 mm,最大的柱截面W24高度也只有大约635 mm,具有一定的局限性[3-4]。考虑到经济因素,美国建议使用深柱(也就是截面高度比较大的截面)来控制抗弯抵抗框架的抗震侧移,Brandon Chi,Uang Chia-Ming.[1]对3组深柱-削弱梁抗弯连接节点在循环作用下的性能进行了研究,试验表明,由于梁受压翼缘的侧向变形产生翼缘偏心力施加在柱子上,柱子上产生扭转力致使柱子翘曲,是由于梁腹板和翼缘的局部屈曲,使得削弱梁产生侧向变形,造成梁侧向扭转。其中DC-1,DC-2的塑性转角均达到0.03 rad(4%侧移角时),而DC-3在柱的k线区域发生脆性断裂,塑性转角为0.028 rad(4%侧移角时),主要原因是由于柱的扭转致使柱发生很大翘曲,产生了很高的翘曲应力。深柱发生翘曲有2个因素:一是由于削弱梁侧向刚度减小很容易发生侧向扭转,在梁的上下翼缘产生偏心力,致使柱子受扭;另一个因素是深宽翼缘截面的扭转性能很容易产生很高的翘曲应力。图1为削弱梁发生侧向变形图,梁翼缘偏心力F不仅绕梁弱轴发生弯曲,而且绕柱子扭转。F的值可根据F=Astfy,其中Ast为削弱处翼缘截面面积,fy为材料设计屈服强度。由于梁的侧向扭转屈曲引起倾角θ,使这个力有一个横向的分力Fsinθ和纵向分力Fcosθ,这2个分力在柱上产生了扭矩eyFsinθ和exFcosθ。这样施加在柱上的总扭矩为T=F(eysinθ+excosθ)[1]。

基于以上的试验分析,W27截面的扭转刚度较小也是一个很重要的原因,可以看出研究影响深柱—削弱梁节点柱的翘曲的因素是非常重要的。

2 计算模型的建立

为了进一步研究深柱—削弱梁刚性节点的循环性能,研究影响深柱—削弱梁节点柱翘曲的因素,变换参数:柱截面,节点域的强度,梁腹板的长细比,建立5种ANSYS有限元模型。有限元模型梁柱截面尺寸如表1,分析模型的细部构造与Brandon Chi,Uang Chia-Ming.[1]相同。深柱—削弱梁刚性连接节点如图2所示。

表1 有限元模型梁柱截面尺寸

采用三维实体元,非节点区、非削弱区梁柱段采用solid45,节点区、削弱区段均采用solid95,Mises屈服准则,塑性区采用随动强化模型。材料的屈服应力和极限应力取Brandon Chi,Uang Chia-Ming.[1]A992钢材的拉伸试验数据,螺栓和焊材的材行参考美国钢结构规范数据。弹性模量E=2.06×106N/mm2,泊松比 v=0.3.预拉伸单元PRETS179施加螺栓预拉力P=226.9 kN。梁柱材料的屈服强度σy=375 MPa,σu=482 MPa,εy=0.1%,εu=30%;连接板、加劲勒、补强板的屈服强度 σy=324 MPa,σu=482 MPa,εy=0.1%,εu=26%;螺栓材料的屈服强度 σy=324 MPa,σu=482 MPa,εy=0.1%,εu=26%。有限元模型网格划分如图3所示,加载制度如图4所示。

图3 有限元模型网格划分图

图4 加载制度

2.1 柱截面对节点柱翘曲的影响

为了研究深柱—削弱梁节点柱的翘曲,取表格1中D-1、D-2、D-3(均符合AISC 抗震要求)为一组进行计算比较,其中梁均取W36×150,图5为有限元模型D-1、D-2、D-3中柱最大翘曲值—侧移角的柱状图。

图5 D-1、D-2,D-3柱翘曲-侧移角柱状图

相比D-1、D-2,D-3在3%侧移角时,柱的最大翘曲就达到0.03 rad,明显高于前二者,原因是在3%侧移角时D-3削弱梁翼缘和腹板发生明显的局部屈曲,造成梁强度降低,造成梁受压翼缘的平面外变形变大,进而降低了柱W27×194扭转刚度,所以柱的翘曲值迅速增加。而其中W27×194柱的扭转刚度Kθ分别是W36×230和W14×398的2.3和2.8倍,所以D-3在4%,5%侧移角时翘曲达到了0.08 rad和0.11 rad。由此可见深柱—削弱梁节点柱发生翘曲的大小主要与柱截面的抗扭刚度Kθ有关,截面的抗扭刚度越大,柱发生的翘曲程度就越小。

2.2 节点域强度影响

为了研究节点域强度对深柱—削弱梁抗弯节点的影响,取表格5中D-3、D-4、D-5为一组进行分析计算,这 3个模型柱均为W27×194,梁为W36×150,节点域的强度比Rv/Vpz为1.05,0.65,1.25,分别为平衡型节点域(符合AISC抗震要求2002),弱节点域,加强型节点域。节点域的补强板依次是12.5 mm,0,19 mm。图6为这组模型柱的翘曲值—侧移角柱状图,由图可见弱节点域节点柱的翘曲从加载开始到结束都很小,最大只有0.003 rad,在加载侧移角达到3%时,加强型节点域柱的翘曲值增加迅速达到0.05 rad,平衡型节点域为0.03 rad,在4%侧移角时,加强型节点域以及平衡型节点域柱翘曲值达到0.08 rad左右,前者略微大点。从图中可以看出弱节点域节点柱的翘曲从加载开始一直到结束都远远小于平衡型节点域和加强型节点域柱的翘曲,主要原因是弱节点域型节点域区域抗剪强度非常小,削弱梁腹板和翼缘没有形成有效的局部屈曲,以致于削弱梁没有发生侧向屈曲变形,导致它的非弹性变形主要集中在柱的节点域处。而平衡型节点域和加强型节点域模型非弹性变形主要发生在削弱梁区域,这样削弱梁就发生侧向屈曲,致使产生了作用在柱上的扭转力,造成柱的翘曲。

图6 节点域强度影响下D-3、D-4、D-5柱翘曲-侧移角柱状图

2.3 梁腹板长细比的影响

为了研究梁腹板长细比对削弱梁节点的循环性能的影响,以表格5中D-2和D-3为基础,建立12个有限元模型,柱采用W27×194和W36×230,梁截面采用W36×135,W36×150,W36×170,W36×194,W36×210,W36×232,W36×256。这些分析模型均符合AISC抗震要求。如图7所示,经过有限元分析画出4%侧移角时12组模型中柱的翘曲值—梁腹板的长细比折线图,由图可以看出随着梁腹板长细比的增大,节点柱的翘曲减小,造成这种情况的主要原因是粱翼缘力的减小,因为梁腹板长细比越小,梁截面就越重(比如说,W36×135截面腹板长细比为 54,重量确是 381 kg/m;W36×256腹板长细比为34,重量是201 kg/m),这样造成在小长细比的截面产生的受压翼缘力就越大,施加在柱上的扭距增大,所以翘曲就增大了。还可以看出W27×194柱的翘曲值比W36×230要大,主要原因是W36×230扭转刚度(Kθ=3 200 kN◦m/rad)比W27×194扭转刚度(Kθ=1 400 kN◦m/rad)大的多。

图7 腹板长细比影响下不同截面柱翘曲—侧移角柱状图

3 结语

变换参数建立有限元模型进行研究是为了讨论柱截面、节点域的强度、梁腹板的长细比对深柱—削弱梁刚性连接节点的循环性能的影响,基于以上分析研究得出以下结论:

(1)深柱—削弱梁节点柱发生翘曲的大小主要与柱截面的抗扭刚度Kθ有关,截面的抗扭刚度越大,柱发生的翘曲程度就越小。一般情况下深柱截面的抗扭刚度都比浅柱要大一些,所以深柱相比浅柱有较小程度的翘曲值。

(2)弱节点域的深柱—削弱梁节点柱的翘曲程度很小,由于弱节点域深柱—削弱梁模型的屈服和塑性变形主要发生在节点域处,造成节点域局部屈曲破坏。而平衡型节点域和加强型节点域翘曲程度相对大一些,而且加载的过程中节点的承载力有明显的强度退化现象,主要原因是削弱梁翼缘和腹板的局部屈曲,以及削弱梁受压翼缘的平面外变形造成的。

(3)深柱—削弱梁抗弯连接节点柱的翘曲大小随着梁腹板长细比的增加而减小,主要是因为粱翼缘面积的增加抵消了梁腹板长细比的减少,在一定程度上增加了施加在受压翼缘上的偏心力,进而增加了节点柱翘曲的大小。

(4)建议在工程实践中为了减少深柱—削弱梁抗弯连接的侧向扭转屈曲造成的平面外变形,在削弱梁区域提供额外的侧向支撑是很有效的。

[1]Brandon Chi,Chia-Ming,Uang.Cyclic Response and Design Recommendations of Reduced Beam Section Moment Connections with Deep Columns[J].Journal of Structural Engineering/APRIL,2002(5):464—468.

[2]陈向荣.翼缘削弱钢梁(RBS)构件的受力分析和设计[J].钢结构,2003(2):51.

[3]Xiaofeng Zhang,James M,Ricles.Experimental Evaluationof Reduced Beam Section Connections to Deep Columns[J].Journal of Structural Engineering ASCE/M ARCH,2006(2):346—356.

[4]Xiaofeng Zhang,James M,Ricles.Seismic Behavior of Reduced Beam Section Moment Connections to Deep Columns[J].Journal of Structural Engineering ASCE/MARCH,2006(4):358—360.