钢框架梁端加强-螺栓全拼接节点的抗震性能有限元分析
2011-09-07张艳霞叶全喜王路遥
张艳霞， 叶全喜， 王路遥
(北京建筑工程学院 土木与交通工程学院，北京 100044)
在1994年北岭地震和1995年阪神地震中，许多钢结构梁柱节点都发生了脆性破坏［1，2］。此后，实现塑性铰外移成为国内外钢框架梁柱节点改进的主要方向。本文提出的梁端加强-螺栓全拼接节点可以有效的避免工地焊缝，实现全螺栓连接，施工非常方便［3］。本文应用ABAQUS有限元软件分别对钢框架梁端加强-单盖板螺栓全拼节点、梁端加强-双盖板螺栓全拼节点的抗震性能进行了分析。该方法的可行性已通过分析结果与试验结果对比得到证实［4，5］。
1 梁端加强-翼缘单盖板螺栓全拼接节点非线性有限元分析
1.1 试件尺寸、模型图及实验加载制度
图1 试件有限元模型
图2 试件网格划分
1.2 塑性铰形成及发展
图3为构件在不同层间位移角作用下的PEMAG云纹图，由此可以看出塑性铰的形成和发展。当层间位移角到达0.03 rad时，梁翼缘盖板末端开始屈服;0.05 rad时，梁翼缘的屈曲部位面积增大，且屈曲部位开始由翼缘慢慢向腹板蔓延;待层间位移角到达0.06 rad时，位于梁翼缘盖板末端处的塑性铰完全形成。在整个加载过程中，梁端焊缝均未屈服。
表1 梁端加强-翼缘单盖板螺栓全拼接节点尺寸
表2 加载制度
图3 塑性铰的形成和发展
1.3 滞回曲线及骨架曲线
如图4所示，由骨架曲线可以明显看出，试件在整个加载过程中节点的承载能力始终处于上升阶段，并未出现下降。
由滞回曲线可以看出，梁端加强-单盖板螺栓全拼接节点滞回曲线饱满，滞回环的面积较大，但滞回环总体上呈现出“平行四边形”。取滞回曲线中最后一个完整的滞回环计算等效黏滞阻尼系数he=0.672，说明节点具有较好的耗能能力。
梁端加强-单盖板螺栓全拼接节点有限元分析所得节点的屈服荷载、极限荷载以及延性系数见表3所示。根据表中数据可知，节点的延性系数大于4，说明节点具有较好的延性性能。
表3 有限元计算结果各参数分析
1.4 梁总转角及塑性转角
梁的塑性转角是评价节点耗能能力的重要指标，FEMA［1］规定刚性连接试件在破坏时的塑性转角至少达到0.03 rad。
从图5可以看出，梁端总转角为0.059 rad，塑性转角为0.037 rad，塑性变形占总变形的62.7%。其中塑性转角大于0.03 rad，满足FEMA［4］的规范要求，节点具有较好的耗能能力。
2 梁端加强-翼缘双盖板螺栓全拼接节点非线性有限元分析
2.1 试件尺寸、模型图及实验加载制度
梁端加强-翼缘双盖板螺栓全拼接节点除上，下拼接板厚为8 mm外，其余尺寸与梁端加强-翼缘双盖板螺栓全拼接节点相同。加载制度与梁端加强-翼缘单盖板螺栓全拼接节点相同。
图4 有限元分析滞回曲线和骨架曲线
图5 节点的总转角及塑性转角
2.2 塑性铰形成及发展
图6 试件有限元模型
图7 试件网格划分
图8为构件在不同层间位移角作用下的PEMAG云纹图。由图8可以看到，层间位移角到达0.03 rad时，梁翼缘盖板末端开始屈服;随着层间位移角的增加，梁翼缘末端屈服面积继续增大，待层间位移角到达0.05 rad时，梁翼缘的屈曲部位开始由翼缘慢慢向腹板蔓延;待层间位移角到达0.06 rad时，位于梁翼缘削弱处的塑性铰完全形成。在整个加载过程中，梁端焊缝均未屈服。
2.3 滞回曲线及骨架曲线
由试件的骨架曲线可以明显看出，试件在整个加载过程中节点的承载能力始终处于上升阶段，并未出现下降。
由图9可以看出，与梁端加强-单盖板螺栓全拼接节点相同，梁端加强-双盖板螺栓全拼接节点滞回曲线饱满，滞回环的面积较大，但滞回环总体上没有呈现出钢结构节点滞回曲线特有的“梭形”，而是呈现出“平行四边形”。取滞回曲线中最后一个完整的滞回环计算等效黏滞阻尼系数he=0.660，说明节点具有较好的耗能能力。
梁端加强-双盖板螺栓全拼接节点有限元分析所得节点的屈服荷载、极限荷载以及延性系数见表4所示。根据表中数据可知，节点的延性系数大于4，说明节点具有较好的延性性能。
表4 有限元计算结果各参数分析
2.4 梁总转角及塑性转角
梁的塑性转角是评价节点耗能能力的重要指标，FEMA［1］规定刚性连接试件在破坏时的塑性转角至少达到0.03 rad。
从图10中可以看出，梁端总转角为0.059 rad，塑性转角为0.036 rad，塑性变形占总变形的61.0%。其中塑性转角大于0.03 rad，满足FEMA［1］的规范要求，节点具有较好的耗能能力。
3 结论
(1)单盖板螺栓全拼接节点和双盖板螺栓全拼接节点可以有效的避免工地焊缝，安装方便，并且都能很好的实现塑性铰外移，达到保护梁端焊缝、提高节点延性及耗能能力的目的。
(2)两种试件的塑性转角分别为0.037 rad、0.036 rad，均满足了刚性节点在破坏时的塑性转角至少达到0.03 rad的要求;总转角均为0.051 rad，都满足梁端总转角≥0.05 rad的要求，说明这两种节点具有良好的塑性变形能力;节点延性系数均大于4，表明该节点具有良好的延性性能;节点的滞回曲线饱满，滞回环面积大。其中等效黏滞阻尼系数分别为0.672、0.660，均大于4，说明这两种节点具有较好的耗能能力。
(3)由表3、表4数据对比可知:双盖板螺栓全拼接节点的屈服荷载、极限荷载、延性系数都比单盖板螺栓全拼接节点大，也就是说双盖板螺栓全拼接节点的承载能力、耗能能力都略优于单盖板螺栓全拼接节点。但单盖板螺栓全拼接节点较具有施工简便、降低造价的优势，其施工工作量明显小于双盖板螺栓全拼接节点。因此可以根据具体要求适当选取这两种节点，应用于实际工程中。
［1］FEMA-350，Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings［S］.
［2］Kim T，Kim J.Collapse analysis of steel moment frames with various seismic connections［J］.Journal of Constructional Steel Research，2009，65(16):1316-1322.
［3］01SG 519，多、高层民用建筑钢结构节点构造详图［S］.
［4］王路遥，张艳霞，刘金瑶，等.钢结构梁柱扩翼型节点抗震性能的有限元分析［C］.第二届全国工程安全与防护学术会议论文集，2010，8:785-790.
［5］GB 50011-2010，建筑抗震设计规范［S］.
