方钢管柱-H字钢梁套管加强式端板连接节点抗震性能分析

潘运成 黄炳生 杜志群

由于我国经济飞速发展、钢产量大幅度提高，国家对钢结构建筑给予政策和技术扶持，促进了钢结构的发展。

近年来，国外对H型梁柱节点研究较多［1-4］，并在工程中已有较多应用，而对方钢管柱-工字钢梁节点研究较少，收集的信息不够充分，虽在现行抗震规范中提出了该连接的设计概念，但如何具体实施，均暂未做出具体规定和说明。方钢管柱具有各向等强，抗扭刚度大，承载能力高；钢管端头封闭后抗腐蚀性能好；外形规则，组成的结构轻巧美观，具有很好的建筑适用性；和H型钢组成的结构相比用钢量少，成本低；和圆钢管相比，梁柱连接构造比较简单，不产生空间相贯，便于加工等优点，方钢管柱与工字钢梁钢框架结构的应用越来越多。但是对方钢管与工字钢半刚性节点的研究存在着很大的不足和缺陷。一般来说，冷成型方钢管壁比较薄，单纯的采用端板连接有可能造成管壁面外变形很大，造成连接性能不好，从而影响连接的刚度、受力性能。因此本文对节点域构造做出了改进，采用套管对方钢管柱壁进行加强，提出了方钢管柱-工字钢梁套管加强式端板连接半刚性新型节点形式。

本文在合理选择有限单元类型基础上，利用有限元软件ANSYS对套管加强节点进行循环加载作用下的受力性能分析，研究了该节点在不同端板厚度下的破坏形态、极限荷载、最大塑性转角、延性性能等。考虑端板厚度变化对节点性能的影响，得出一些简单的结论，从而为端板连接设计提供一些简单参考依据。

一、几何模型的确定

本文研究的节点模拟钢结构边框架，柱高取H=2.0m，梁长取L=1.2m （至柱边）。梁采用H型钢截面，柱采用□200×8方钢管。为了保证梁与端板连接可靠，梁与端板连接采用角焊和对接焊的组合焊。梁与柱采用8.8级高强螺栓连接，并用40×5的套管加强柱节点区，防止柱在受力过程中柱壁鼓曲。试件的详细尺寸见表1。

材料采用各向同性的理想弹塑性材料，假定所用钢材为Q235钢。弹性模量E取为2.06×10MPa，泊松比μ取为0.3。分析采用的应力应变关系为双折线模型。材料的屈服强度为235MPa，对应的屈服应变ε为0.114%。计算采用Von-Mises屈服准则，材料强化取多线性随动强化准则。在分析中，所有焊缝均视为与节点板材等强，忽略焊接残余应力、焊脚尺寸以及构件初始缺陷对节点受力的影响。材料的本构关系模型如图1所示的简化模式。

表1 试件尺寸

图1 材料应力-应变关系

二、有限元模型

1.单元划分

在有限元模型划分时，柱子、梁选用八节点的solid45实体单元进行线段控制划分网格，节点区域的柱壁，端板、螺栓套管选用较高精度的二十节点solid95实体单元进行自由网格划分。

该节点端板与柱壁之间采用接触单元TARGE170、CONTA174来模拟两者之间的接触作用，接触单元覆盖在实体单元表面，模拟单元表面之间的接触、滑移及变形等边界条件。对高强螺栓的预拉力，可采用ANSYS程序提供的预拉力单元Solidl79来实现。节点试件的有限元模型如图2所示。

图2 节点网格划分图

2.边界约束

本文在模拟边界条件时，柱底施加x、y、z三个方向的线约束以模拟柱铰的平面内转动，柱顶施加x、y两个方向的线约束以模拟柱铰的平面内转动。为了防止钢梁的平面外失稳破坏，在钢梁梁端施加x方向的约束 (即UX=0)，图3所示。

图3 模型边界条件

3.施加荷载

柱顶的竖向轴力以集中荷载的形式施加在柱顶面。 《钢结构设计规范》9.2.3中规定，塑性设计中的压弯构件的压力N不应该大于0.2Auf。本文的节点为弹塑性设计，在参考塑性设计中压弯构件压力值的基础上，取柱轴压力值为：N=250KN。在梁端施加低周往复荷载，根据文献，试件屈服前采用荷载控制加载，屈服后采用位移控制加载，由于屈服前梁端荷载与位移成线性比例关系，所以本ANSYS模拟分析的整个过程在梁端施加强制的位移荷载。初始位移为屈服位移的20%，每次每级位移增量约为20%，屈服前，每级荷载循环1次；当试件屈服后，依次施加2倍、2.5倍、3倍屈服位移，每级荷载循环2次，加载制度如图4所示，Δy为屈服位移。

三、有限元结果分析

1.节点变形

试件JD-1和JD-2端板厚度分别为12mm、16mm。在循环荷载作用下变形如图5所示，试件JD-1在荷载作用下最终端板发生弯曲变形，使节点丧失承载能力，试件JD-2在荷载作用下梁端部发生屈曲，导致节点丧失承载能力。比较两个节点破坏模式，端板厚度增加节点塑性铰外移。

图4 加载制度

图5 试件节点域变形图

2.节点滞回特性分析

有限元计算结果见表2，在低周反复荷载作用下，梁柱节点试件的滞回特性 （滞回曲线见图7），可以从延性系数、耗能指标以及荷载循环过程中强度、刚度的退化三个方面来描述。有限元计算结果表明，节点的滞回曲线非常饱满，试件呈现出良好的强度和延性特征。

（1） 延性系数

延性是指结构破坏之前，在其承载力无显著降低的条件下经受非弹性变形的能力，延性往往用延性系数来表示，节点延性系数μ定义为塑性极限转角φU与弹性极限转角φy的比值，计算简图如图6所示，此指标是节点抵抗地震作用能力的有效度量，延性系数越大，节点进入塑性后承受大变形的潜力越大。μ值反映了材料及节点的延性性能，μ值越大，节点延性愈好，强震时节点耗能能力愈强，但过大的延性系数，将可能导致节点承载力和刚度较大的降低，因此，节点延性系数取3.0较为合适，既能保证节点塑性的充分发挥，又能保证节点具有足够的承载力和刚度。试件JD-1和JD-2的延性系数分别为3.4、3.22，这两种试件都有很好的延性，能够使节点的塑性得到充分的发挥。

表2 试验结果表

图6 延性比计算简图

图7 循环加载荷载-位移滞回曲线

（2） 耗能能力

我国 《建筑抗震试验方法规程》JGJ101—96，对混凝土结构、钢结构、砌体结构、组合结构的构件及节点抗震基本性能试验和低周反复荷载作用下的抗震性能试验，规定以式 (1)的能量耗散系数E来衡量试件的能量耗散能力。用式 (1)算得的各试件的能量耗散系数E值见表2。

计算得到试件JD-1和JD-2的耗能系数分别为1.71、2.23。滞回曲线饱满，耗能系数都较大，在2.0左右，是理想的抗震耗能模型。

图8 耗能指标计算简图

四、结语

本文对方钢管柱-工字钢梁套管加强式端板连接半刚性T型节点分别进行了三维有限元非线性分析，分析结果表明，通过套管加强的节点具有良好的延性和耗能能力，破坏主要是由于梁翼缘的局部屈曲变形过大所致。对于此类节点，应对节点参数变换进行分析，形成系统的节点资料库，供工程设计人员使用。

[1]郭兵,顾强,柳锋,赵考重.梁柱端板连接节点的滞回性能试验研究王新武，孙犁.钢框架半刚性连接性能研究.武汉理工大学学报,2002,24(11):33-35

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[4]JGJ101-96建筑抗震试验方法规程陈宏，李兆凡，石永久，王元清.钢框架梁柱节点恢复力模型的研究.工业建筑，2002，32(6):64-65