梁腹板局部削弱新型钢节点抗震性能研究

郑 宏， 刘二浩

(长安大学 建筑工程学院,陕西 西安 710061)

梁腹板局部削弱新型钢节点抗震性能研究

郑 宏， 刘二浩

(长安大学 建筑工程学院,陕西 西安 710061)

介绍了一种在梁腹板局部采用等肢角钢拼接形成的折形腹板梁端截面削弱型梁柱节点。利用有限元软件ANSYS14.0分析了削弱区距柱翼缘距离、角钢厚度和角钢肢长对新型节点抗震性能的影响。研究结果表明：新型截面局部削弱节点与传统梁柱节点连接承载力相差不大，并且塑性铰形成的位置均在折形腹板所对应的梁上下翼缘处，从而达到使塑性铰外移的目的。而削弱区距柱翼缘距离、角钢厚度和角钢肢长对新型节点抗震性能影响很小。

梁柱节点；局部削弱；等肢角钢；塑性铰；抗震性能

0 引言

在1994年美国北岭地震之前，大量的抗弯框架采用焊接连接形式。然而，在北岭地震中这种连接方式在梁柱节点区域发生了大量的脆性断裂。之后，国内外学者对此类节点进行了大量的实验研究，提出了一系列改进型钢结构梁柱连接节点形式。其中，对梁截面进行局部削弱，使塑性铰从节点区外移是改进节点的主要措施之一[1-3]。

传统的梁截面局部削弱型节点在减小了塑性抗弯能力的同时，试验研究发现梁的平面外刚度也相应的减小。平面外刚度的减小会增加截面横向扭转失稳。根据Naeim[4]研究，传统梁截面削弱型节点连接，首先是梁腹板发生局部屈曲，其次是腹板发生横向扭转屈曲，最后是梁翼缘处发生局部屈曲。针对传统削弱型节点的缺点，Mirghaderi S.R et al[5]提出了一种在梁预期形成塑性铰位置用折线形腹板代替梁原平面腹板的新型梁截面削弱节点，如图1所示。由于角钢拼接成的折线形腹板具有较大的平面外刚度，从而提高了梁腹板稳定的条件，并且梁翼缘宽厚比的减小增强了梁翼缘的局部稳定性。

图1 新型削弱钢节点

1 有限元分析方法及验证

Mirghaderi S.R et al[5]进行了这种新型梁截面削弱节点的试验研究，试验共设计了两组试验试件。试件2采用箱型截面柱，尺寸为200 mm×160 mm×10mm，柱高为2 150 mm，梁采用IPE180(180 mm×91 mm×5.3 mm×8 mm)梁长为1 645 mm，梁柱节点与柱加劲肋采用全熔透焊接连接，折形腹板采用两个等肢热轧角钢拼接形成。

对试件2进行模拟验证。模型的梁、柱、加劲板和折形腹板均采用Shell181单元，模型的焊接部分均使用AGLUE命令。构件的弹性模量取E=203 GPa，泊松比为v=0.3，塑性模量取弹性模量的0.03倍，材料的屈服强度和极限强度均采用试验值。材料本构关系采用随动强化模型(KINH)。屈服准则采用Mises准则。模型的加载机制与试验加载机制相同。图2给出了试件2在循环荷载作用下的试验滞回曲线与有限元模拟滞回曲线，从图4中可以看出，两者基本吻合。结果表明利用ANSYS软件模拟该新型削弱节点的滞回性能是可行的。

图2 有限元与试验结果对比分析

2 节点试件的设计

在文献[6]梁柱连接节点试件的基础上，共设计了7个新型削弱型梁截面试件。分别反映削弱位置距离柱翼缘距离d变化的试件、等肢角钢厚度t变化的试件和等肢角钢肢长l变化的试件。各试件的具体参数取值如表1所示。为了进行对比分析，同时在试验试件的基础上还设计了一个构件尺寸相同的传统焊接节点试件(BASE)。

表1 节点参数与编号 mm

注：BASE指传统梁柱连接节点；AW-RBS是英文Accordion-Web Reduced Beam Section的简称代表新型削弱节点。

3 节点试件加载机制

加载方式为循环加载，加载点设置在梁悬臂端，柱顶、柱底均采用固接。传统节点和新型节点的有限元模型如图3所示。加载过程所施加的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；在试件屈服后，分别施加2、3、4、5倍屈服位移，每级循环2次[7]。加载的最大幅值为90 mm，梁端转角已达到0.06 rad。

图3 传统节点与新型节点有限元模型

4 有限元结果分析

现主要从各个试件的滞回曲线、刚度退化曲线及骨架曲线等来分析各试件的抗震性能。试件的刚度可采用同一荷载下(开裂或屈服后为同一位移)的第一循环滞回环顶点割线刚度来表示[8]

(1)

式中，Fi表示第i次峰点荷载值；Xi表示第i次峰点位移值。

4.1 等肢角钢肢长的影响

根据有限元软件计算结果可以得出参数l变化系列试件和传统节点试件(BASE)的滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线如图4所示。从图中可以看出各个试件的滞回曲线均饱满无捏拢现象，其中试件AW-RBS-l1在最后的加载步中出现下降段，其产生此现象的原因是角钢肢长减小使梁的翼缘出现局部屈曲。对比各个试件的骨架曲线看出：新型削弱节点承载力较传统节点最大降低了4.68%；等肢角钢肢长l对新型节点试件的骨架曲线没有影响；各新型节点试件的初始刚度较传统节点最大降低了1.45%，并且新型节点试件刚度退化比传统节点快；等肢角钢肢长l对新型节点试件的刚度退化曲线没有影响。

图4 各试件滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线

4.2 等肢角钢厚度t的影响

等肢角钢厚度t变化系列试件和传统试件的滞回曲线以及骨架曲线分别如图5所示。从图中可以看出各个试件的滞回曲线均饱满无捏拢现象。从骨架曲线中可以看出，新型削弱节点的承载力与传统节点试件相比最大下降了5.81%。并且随着等肢角钢厚度t的增加其承载能力有所提高。从刚度退化曲线中可以看出各新型削弱节点较传统节点下降快，随着等肢角钢的厚度t的增加其刚度退化曲线下降得越快。

图5 各试件滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线

4.3 削弱位置与柱翼缘距离d的影响

削弱位置与柱翼缘距离d变化系列试件和传统试件的滞回曲线以及骨架曲线分别如图6所示。从图6中可以看出，各个试件的滞回曲线均饱满无捏拢现象。从骨架曲线中可以看出新型削弱节点的承载力与传统的试件相比均有所下降，最大为4.70%。从刚度退化曲线中可以看出各新型削弱节点较传统节点下降快，随着削弱位置的增大对其刚度退化影响越小。

图6 各试件滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线

4.4 新型梁截面削弱节点试件与传统节点试件的塑性铰位置

通过有限软件ANSYS中Von Mises plastic strain显示功能观察各个节点试件是否使塑性铰外移。各个节点试件与传统节点试件(BASE)的塑性铰云图如图7所示。可以明显的看出：传统节点试件的梁柱连接处应力最大，节点的塑性铰在梁柱连接处产生。而新型梁截面削弱节点试件的塑性铰均在角钢拼接形成的折形腹板所对应的梁上下翼缘处。根据云图结果可知，新型梁截面削弱节点试件承载能力变化不大，迫使节点塑性铰外移至折形腹板对应梁翼缘处，进而使梁柱连接处得到保护，达到“强柱弱梁、强节点弱构件”的抗震设计准则。

图7 各试件的塑性铰云图

5 结语

(1) 从总体上看新型梁截面削弱型节点试件与传统节点试件的滞回曲线均饱满，表现出良好的滞回性能。并且新型梁截面削弱型节点试件与传统节点试件相比，两者极限承载力相差不大，并且各新型节点试件都能够迫使塑性铰远离脆弱的节点区而出现在折线形腹板对应的梁上下翼缘处。

(2) 等肢角钢肢长l、等肢角钢厚度t和削弱位置d对各系列新型削弱节点试件的承载力影响不大，最大降低了5.81%。各系列新型削弱节点试件的初始刚度较传统节点试件最大降低了1.77%，两者相差不大。在转角达到0.013 rad之后，各系列新型削弱节点试件的刚度退化较传统节点试件快。

(3) 此新型梁截面削弱型节点可以代替传统的梁腹板开孔和梁翼缘狗骨式削弱节点形式，在不影响构件承载能力的前提下，可以将梁端塑性铰内移，达到“强柱弱梁，强节点弱构件”的抗震设计准则。

[1]毛剑，郑宏.安装阻尼器的削弱型梁柱刚性连接节点抗震性能分析[J].建筑钢结构进展，2014,16(1)： 15-22.

[2]Chen S J, Tsao Y C, Chao Y C.Enhancement of ductility of existing seismic moment connections [J].Journal of Structural Engineering,2001,127(5):538-545.

[3]Kim T , Whittaker A S , Gilani A S , et al . Experimental evaluation of plate-reinforced steel moment-resisting connections[J].Journal of Structural Engineering,2002,128(4):483-491.

[4]Naeim F.The seismic design handbook[M].2nd ed.Wilmington:Kluwer Academic Publishers，2001:418.

[5]Mirghaderi S R,Torabian S,Imanpour A.Seismic performance of the Accordion-Web RBS connection[J].Journal of Constructional Steel Research,2010,66:277-288.

[6]杨应华，师梦尘.翼缘削弱型端板连接节点抗震性能分析[J].地震工程与工程振动，2015,35(2)：157-165.

[7]中国建筑科学研究院.JGJ 101-96建筑抗震试验方法规程[S].北京：中国建筑工业出版社，1997.

[8]毛剑.安装阻尼器的弱梁刚性连接节点的抗震性能研究[D].西安：长安大学，2013.

Research on Seismic Performance of New Steel Joints Weakened with Beam Web

Zheng Hong, Liu Erhao

(School of Civil Engineering，Chang’an University，Xi’an 710061，China)

This paper introduces a new type of Reduced Beam Section connection,“Accordion Web RBS”，is presented in this research.The AW-RBS decreases the web contribution in moment strength and a reduced section is developed in the beam.In the proposed connection,the beam section is reduced using corrugated plates instead of a plat web at the expected location of the beam’s plastic hinge.Using ANSYS14.0 FE analysis is made of the influence of the distance of the weakening region from the column’s flange,angle thickness and the leg length of angle on the performance of new seismic joint. The results show that:there is no big difference between the new type of Reduced Beam Section connection and the traditional beam to column connection, and the position of plastic hinge formed in the shape of the upper and lower flange of the corresponding beam, achieving the purpose of plastic hinge removed away from the column’s flange face; and the distance of column flange from the weakening region, angle thickness and angle of leg length has little effect on the properties of the new reduced beam section connection.

beam to column connection;local weakening;equal leg angle;plastic hinge;seismic performance

2015-12-16 责任编辑:车轩玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.01.05

郑宏(1964-)，男，教授，主要从事钢结构基本构件在循环荷载作用下的滞回性能分析及抗震设计研究。E-mail:cehzheng@chd.edu.cn

TU39

A

2095-0373(2017)01-0025-06

郑宏，刘二浩.梁腹板局部削弱新型钢节点抗震性能研究[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版,2017,30(1):25-30.