偏心支撑钢框架支撑节点设计的必要性

杨 扬, 钱德玲

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

偏心支撑钢框架支撑节点设计的必要性

杨 扬, 钱德玲

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

偏心支撑钢框架结构体系在水平荷载作用下只要求耗能梁段发生屈服,而梁柱等其他构件不允许出现屈服。文章在对试验模型进行有限元分析中发现,在水平荷载作用下支撑下节点板件也出现了屈服现象；为了减小此部位应力及使此模型满足抗震要求,对支撑的节点进行了设计,设计后模型在水平荷载作用下支撑节点应力明显减小,满足了抗震要求。研究结果表明了偏心支撑钢框架支撑节点设计的必要性,对偏心支撑钢框架结构体系的研究和应用有一定的参考意义。

钢结构;偏心支撑;耗能梁段;数值模拟;支撑节点;抗震要求

偏心支撑钢框架结构具有刚度大、延性好的特点,被应用于高层建筑中以抵御罕遇地震荷载作用。国内对偏心支撑钢框架的试验研究始于20世纪90年代。文献[1]对EK型、Y型偏心支撑的抗震性能进行了试验研究;文献[2-3]进行了多层钢框架偏心支撑的抗震性能试验研究,文献[4-5]进行了类似试验;文献[6]研究了弯曲型耗能梁段偏心支撑钢框架在循环荷载作用下的滞回性能;文献[7]对K形和Y形偏心支撑钢框架的抗震性能进行了试验分析比较;文献[8]进行了高强钢组合K 形偏心支撑钢框架抗震性能研究。国外的试验研究开始于1977年,Roeder和Popov对往复水平荷载下偏心支撑钢框架试件进行了非弹性性能试验[9]；文献[10-13]对耗能梁段单独进行了性能试验研究。上述试验研究表明,偏心支撑钢框架具有较好的抗震性能,并且主要依赖于耗能梁段吸收和耗散地震能量。

偏心支撑钢框架在罕遇地震作用下,耗能梁段在达到其屈服承载力时,除耗能梁段外所有构件都应处于弹性受力状态[14]。为了确保耗能梁段充分发挥其自身的耗能特性,支撑以及其他杆件不允许先于耗能梁段发生屈服,可靠的节点连接是非常必要的[5]。而许多模型试验研究对支撑的节点连接很少予以重视,可能会造成耗能梁段发生屈服的同时支撑也出现了屈服现象,导致支撑与柱的连接处发生破坏[2-4,6-7]。

大量研究表明,在结构分析中采用有限元进行模拟,并与试验结果进行对比分析,可以得到有限元分析方法的可行性[15-17]。

本文在对文献[7]的试验模型进行有限元分析时发现,在水平荷载作用下支撑下节点应力值较大,甚至在水平荷载较小时与耗能梁段应力接近而出现屈服,最终会发生与试验结果相一致的破坏方式,即支撑与柱的连接节点发生断裂[7]。为了降低此部位应力以及延迟此部位的屈服,充分发挥耗能梁段耗能的特点,本文对支撑节点进行了重新设计,有限元分析表明改进后框架支撑节点应力明显减小,且改进后框架在极限状态前仅耗能梁段发生屈服,满足了此类结构的抗震要求。

1 有限元分析

1.1 有限元方法的有效性

为了验证有限元方法的有效性,对文献[7]的1榀偏心支撑钢框架试件进行非线性有限元分析,试件模型如图1所示,耗能梁段的长度符合剪切屈服型要求。

按照试验试件尺寸进行模拟,材料采用Q235 热扎H型钢,钢框架梁、柱截面均为H150×150×7×10,支撑截面为H100×100×6×8，钢材等级为Q235B。弹性模量选取试验试件平均值E=178.44 GPa，泊松比μ=0.27，采用等向强化准则,屈服强度为材料最低屈服强度254 MPa,应用有限元软件ANSYS进行非线性有限元分析。柱脚为理想刚接,结构平面外约束较强以避免结构发生平面外失稳现象,水平荷载采用单向和往复加载方式。

在单向加载过程中,当水平荷载达到P=240 kN时,上、下2层耗能梁段发生剪切屈服,剪应力达到0.5fy,与试验结果一致。随后在往复荷载作用时,先按照P=240 kN进行力的控制加载,重复1次后,以P=240 kN时第2层左端梁轴线处的水平位移的模数进行位移加载,每个级数重复1次,从而得出此模型的滞回曲线,并与试验结果进行对比分析,如图2所示。

图1 偏心支撑钢框架

图2 试验与数值模拟得到的滞回曲线

由图2可知,有限元模拟和试验得到的滞回曲线基本一致,但由于模拟分析时未考虑杆件的残余应力、初弯曲等缺陷,以及焊缝为理想状态,平面外约束等因素,造成模拟结果与试验结果存在一定差异。总体上从图2可以明显看出两者结果吻合较好,说明有限元数值模拟能够反映试验结果,采用有限元开展相关分析是有效的。

1.2 数值模拟分析中的问题

国内外对偏心支撑钢框架结构体系的研究侧重于结构整体抗震性能和单独耗能梁段的性能研究,对支撑的连接节点很少予以重视。

本文以图1所示的偏心支撑钢框架进行说明。在水平荷载作用下支撑下节点腹板柱边缘处应力较大,且随着荷载的增加,此部位应力增加较快,随后当耗能梁段发生屈服时此部位也会很快发生屈服,甚至会导致支撑节点先于耗能梁段发生破坏。这显然与偏心支撑钢框架在发生屈服时除耗能梁段屈服外其他构件未屈服的要求不一致。耗能梁段在屈服的同时支撑节点也达到了屈服状态,如图3a所示。同时,模型试验也显示支撑与柱连接节点出现断裂现象[7],如图3b所示,进一步佐证了有限元模拟的结论。很显然,该支撑节点设计不合理。

图3 节点设计不合理的数值模拟与试验结果

文献[2-4,6]中的偏心支撑模型试验的模型设计仅仅直接将支撑与框架和耗能梁段相连接,试验中,结构的破坏方式都是支撑与柱的连接部位出现了破坏,所以在设计中应重视支撑的节点设计。

1.3 问题的解决方法

为了达到耗能梁段先屈服的目的,只能降低支撑节点的应力。由图3a可见,支撑下节点腹板柱边缘处应力较大,为了减小此部位应力,将此部位腹板前、后增加2块节点板,但是通过计算发现支撑上节点靠近耗能梁段处支撑翼缘应力又较大,增加支撑上节点板后上节点应力还较大,于是根据文献[18]对支撑的节点连接进行改进,如图4所示。

与图1b原模型相比,图4主要改进了节点的连接形式。计算结果发现,支撑节点形式改进后,支撑节点应力明显减小,并且在耗能梁段发生屈服时此部位应力仍然较小,直至结构达到极限状态前支撑节点都未出现屈服现象。

图4 改进后模型示意图

2 2种模型结果对比

为了便于表述,将图1b原试验模型记为模型1,将支撑改进后的图4模型称为模型2。在单向加载过程中,当水平荷载达到240 kN时,模型1上、下2层耗能梁段发生剪切屈服,剪应力达到0.5fy。在底层支撑下节点靠近柱腹板处的剪应力和等效应力均较大,最大剪应力达到118 MPa,最大等效应力达到210 MPa，并且随着水平荷载的增加两者均逐渐增加。当水平荷载为300 kN时,此部位剪应力和等效应力都达到材料剪切屈服强度和屈服强度,从而同时发生剪切和弯曲屈服,随后在耗能梁段屈服的同时此部位塑性区逐渐扩展。当水平荷载达到290 kN时上、下2层耗能梁段出现弯曲屈服。极限状态时荷载达到390 kN,此时上、下2层耗能梁段均出现塑性铰,虽然耗能梁段已经形成塑性铰,但由于偏心支撑钢框架具有很好的延性和耗能能力,结构仍然可以承担一定的侧向荷载。

模型2梁柱及耗能梁段在不同水平荷载作用下的应力状态同模型1，主要差异为支撑节点应力大幅减小。当P=240 kN时,最大剪应力为87 MPa,最大等效应力为158 MPa,随着荷载增加均未出现屈服,直至极限状态时支撑节点处才开始出现屈服。

2种模型的剪应力和等效应力在剪切屈服、弯曲屈服和极限状态时的分布图分别如图5和图6所示。2种模型支撑节点在不同水平荷载作用下的最大应力值如图7所示。

图5 2种框架模型不同状态时的剪应力分布

图6 2种框架模型不同状态时的等效应力分布

图7 2种框架模型在不同荷载作用下的应力变化

从图5～图7可知，模型2在极限状态前支撑节点的剪应力及等效应力明显低于模型1。

在重复荷载作用下,2种模型先在剪切屈服时的荷载作用下分别进行力的加载,重复1次后,以剪切屈服时第2层左端梁轴线处的水平位移的模数进行位移加载,每个级数重复1次,循环次数相同,从而得出模型的滞回曲线,如图8所示。

从图8可知,2种模型模拟分析得出的滞回曲线非常吻合,2种模型的模拟结果和试验结果也相吻合。

从上述结果可看出,改进支撑节点形式后结构的耗能梁段起到了耗能的目的,并且满足偏心支撑钢框架的抗震要求，所以对于偏心支撑钢框架,支撑节点设计决定了框架的耗能特性,因此在设计中应对支撑节点设计予以重视。

图8 2种框架模型滞回曲线

3 结 论

(1) 模型试验中简单的节点连接常常会出现以下情况:在耗能梁段发生屈曲的同时,支撑下节点应力较大,随着荷载的增加会很快达到材料的剪切屈服强度和屈服强度而出现屈服,从而不满足偏心支撑钢框架的抗震要求。

(2) 本文给出了一种改进后的支撑节点形式。对比原试件连接模型,改进后模型在水平荷载作用下支撑的节点应力明显减小,在耗能梁段整体屈服即达到极限状态之前，此部位都不会出现屈服现象。

(3) 在偏心支撑钢框架结构体系中,可靠的节点连接形式不仅影响结构的破坏方式,而且影响结构的耗能性能，因此为了确保试验结果的可靠性,在试验研究中对支撑的连接形式应该予以重视。本文的分析结果对偏心支撑钢框架结构试验研究及实际应用有一定的参考意义。

[1] 于安麟.EK形、Y形支撑的抗震性能试验研究[J].西安冶金建筑学院学报，1990，22(3):253-260.

[2] 钱稼茄，陈茂盛，张天申,等.偏心支撑钢框架拟动力地震反应试验研究[J].工程抗震，1992 (1):15-18，9.

[3] 钱稼茹，陈茂盛，张天申.偏心支撑钢框架在水平力作用下的试验研究和极限分析[J].建筑结构，1993(4):3-9.

[4] 刘伟,卞延彬.偏心支撑钢框架抗震性能的试验研究[J].钢结构,2003，18(6):27-30.

[5] 管克俭.钢结构住宅抗侧力体系试验研究与非线性分析[D].武汉:武汉理工大学，2003.

[6] 石永久，熊俊，王元清,等.多层钢框架偏心支撑的抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2010，31(2):29-34.

[7] 于安林，赵宝成，李仁达,等.K形和Y形偏心支撑钢框架滞回性能试验研究[J].建筑结构，2010，40(4):9-12.

[8] 李慎，苏明周，连鸣.基于性能设计的高强钢组合K 形偏心支撑钢框架抗震性能研究[J].建筑结构，2015，45(6):71-79.

[9] 钱镓茹.偏心支撑钢框架在美国的研究和应用[J].钢结构，1987(2):49-58.

[10] OKAZAKI T，ENGELHARDT M D.Cyclic loading behavior of EBF links constructed of ASTM A992 steel[J].Journal of Constructional Steel Research，2007，63 (6):751-765.

[11] BERMAN J W，BRUNEAU M.Experimental and analytical investigation of tubular links for eccentrically braced frames[J].Engineering Structures,2007，29 (8):1929-1938.

[12] OKAZAKI T，ENGELHARDT M D.Experimental investigation of link-to-column connections in eccentrically braced frames[J].Journal of Constructional Steel Research，2009，65 (7):1401-1412.

[13] GULEC C K，GIBBONS B.Damage states and fragility functions for link beams in eccentrically braced frames[J].Journal of Constructional Steel Research，2011，67 (9):1299-1309.

[14] 蔡益燕,钱镓茹,郁银泉.偏心支撑框架设计新进展[J].建筑结构，2011，41(4):7-10.

[15] 完海鹰，钟文龙，陈克军,等.大跨度高空连体钢结构整体提升施工控制技术[J].合肥工业大学学报(自然科学版)，2014，37(8):971-975.

[16] 程高，刘永健，俞文龙,等.方钢管混凝土X型节点受拉力学性能的非线性有限元分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版)，2015，38(3):358-362,410.

[17] MOHEBKHAH A，CHEGENI B.Overstrength and rotation capacity for EBF links made of European IPE sections[J].Thin-Walled Structures，2014，74:255-260.

[18] 高层民用建筑钢结构技术规程:JGJ 99—2015[S].北京:中国建筑工业出版社，2015:62-104.

(责任编辑 张淑艳)

Necessity of bracing nodes design of eccentrically braced steel frames

YANG Yang， QIAN Deling

(School of Civil and Hydraulic Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China)

The link beams of eccentrically braced steel frames can yield under the action of horizontal loading unlike beam, column and other members. In this paper, the nonlinear finite element analysis for the test model of eccentrically braced frame was performed, and the results showed that the lower nodes of the bracing could also yield simultaneously under the action of horizontal loading. In order to reduce the stress of the lower nodes and make this model meet seismic requirements， the bracing nodes were improved. After the bracing nodes were changed， the stress of the bracing nodes obviously decreased and the frame could also meet the seismic requirements under the action of horizontal loading. So it is necessary to design the bracing nodes of the eccentrically braced steel frames and the design and analysis of the bracing nodes can offer a reference for the research and application of eccentrically braced steel frames.

steel structure; eccentric brace; link beam; numerical simulation; bracing node; seismic requirement

2015-09-16；

2016-11-04

国家自然科学基金青年科学基金资助项目 (41402256)

杨 扬(1977-),女,陕西蓝田人,合肥工业大学讲师; 钱德玲(1956-),女,安徽安庆人,博士，合肥工业大学教授,博士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.02.016

TU391

A

1003-5060(2017)02-0220-05