门式刚架梁柱节点抗震性能分析

屈成忠，刘立鹏

(1．东北电力大学 建筑工程学院，吉林吉林132012;2．人保投资控股有限公司，北京100000)

尽管钢结构具有良好的延性［1］，但在国内外频繁出现的地震活动以及由此引起的地震灾害中，却仍然出现不少钢结构建筑倒塌、钢柱的脆性断裂以及支撑屈曲和数量较多的梁柱节点破坏等工程事故［2］．近几年，国内也有不少学者对门式刚架进行了实验研究，如西安建筑科技大学王振山博士对1/2缩尺模型端板竖放、平放、斜放螺栓连接节点进行滞回试验研究［3～4］，苏明周教授对柱脚铰接变截面轻型门式刚架1/3缩尺模型进行拟静力试验［5］，还有沈阳建筑大学李红超对蜂窝式钢框架梁柱节点进行了研究［6］．还有不少国外学者对门式刚架节点进行了研究，如 Yorgun 教授［7］、Jong－Kook 博士［8］等．而以往的研究多以图集中的案例进行分析，而本文则是以实际工程为分析对象，并且该工程处在曾经发生过7．8级大地震的唐山市，这次地震给唐山市造成了巨大损失，因此对于本地区中厂房梁柱节点抗震性能的研究是很有必要的，并且具有一定的工程意义．本文主要是通过ABAQUS有限元软件对门式刚架梁柱节点模型进行低周反复荷载下有限元分析来研究其抗震性能，目的是通过改变节点构件参数来提高其抗震性能．

1 有限元模型建立

1.1 模型简述

本工程案例的节点类型为外伸式端板竖放型，节点连接方式是通过高强螺栓将梁端板和柱翼缘连接在一起，抗滑移系数取0．45．节点的结构形式和端板的螺栓布置形式如图1所示．初始模型尺寸为:梁截面尺寸:250 mm～538 mm×200 mm×6 mm×8 mm，柱截面尺寸:200 mm～501 mm×200 mm×6 mm×8 mm，柱端板尺寸:200 mm×18 mm×820 mm，梁端板尺寸:200 mm×18 mm×820 mm．屋面坡度为1/20．根据不同的端板厚度和有无斜加劲肋，一共设计了6种试件，构件主要参数如表1所示．梁和柱的长度分别取1 8 00 mm和1 200 mm．

图1 节点结构形式

表1 构件主要参数

建立节点模型时将做以下方面的简化:

(1)本文主要研究的是平面内的受力性能，不考虑平面外的变形，而结构关于梁柱腹板中心线对称，因此只建立一半的模型;

(2)将螺栓视为一个整体处理．由于在整个加载过程中螺栓一直与螺栓孔紧密接触，因此将螺栓杆与螺栓孔做邦定约束;

(3)对有限元模型分析时不考虑焊缝和残余应力对节点的影响．

1.2 钢材本构模型

本工程中梁、柱钢材采用Q345－B钢，屈服强度为345 N/mm2，高强螺栓采用10．9级大六角型高强螺栓，屈服强度为940 N/mm2．根据前人对钢材材料特性的研究，本模型将采用三折线型模型，如图2所示．材料各向同性，弹性模量为 2．06×105N/mm2，泊松比为 0．3，材料密度为 7 850 kg/m3．

图2 材料应力－应变曲线

1.3 网格划分和预紧力施加

在本模型中，梁柱的翼缘、腹板以及端板将采用8节点的六面体减缩积分实体单元C3D8R［9］，通过结构化网格划分出较规则的网格．三角形加劲肋由于其形状带有尖角，故采用6节点的四面体实体单元［10］，采用自由网格技术划分，节点网格，如图3所示．而螺栓的预紧力是通过定义螺栓帽与端板接触面过盈接触实现的［11］，具体做法是:先在螺栓帽与端板定义微小的过盈接触(过盈量为－0．000 1)，建立接触关系;提交分析并查看接触力，接触力为2．2 kN，而需要施加的预紧力为100 kN，通过比例计算得到正确的过盈量为－0．004 5．通过定义正确的过盈量，得到相应的预紧力．

图3 节点网格

1.4 边界条件及加载方式

在梁柱腹板，翼缘以及端板上施加对称边界条件，将z方向位移和转角约束．本次模型的加载顺序是先施加螺栓预紧力，再向柱顶施加荷载，最后在梁端施加低周反复荷载．柱顶荷载由梁自重、梁恒荷载、梁活荷载以及柱自重组成，经计算为11．8 kN．梁端的加载采用了ECCS的完全加载制度［12］，由单调加载下的荷载－位移曲线确定该构件的屈服荷载为109 kN，屈服位移为40 mm．循环荷载在构件屈服之前由荷载控制，荷载增量为20 kN，一次循环;屈服后由位移控制，位移增量为屈服位移的一半，进行两次循环，直至构件破坏．循环荷载图，如图4所示．

图4 循环载荷

1.5 破坏准则

ABAQUS程序本身没有提供固定的破坏准则，而由用户自己定义．通过总结分析，给出了确定试件破坏的几种途径．从曲线形式判断，曲线发生下列现象之一时，试件可被判断为破坏:

(1)滞回曲线出现下降段，即斜率为负时;

(2)本级循环中的最大荷载小于前一级循环中的最大荷载;

(3)若曲线斜率仍为正，但在相同位移条件下荷载劣化程度达到15%及以上时，试件亦被判断为破坏．

2 节点抗震性能分析

2.1 节点破环形态及应力发展

通过对模型应力云图的时间历程的分析，可以看出在节点模型梁端负向加载到最大位移的过程中，随着位移的加大，端板第一排螺栓和第二排螺栓之间率先出现了较大变形，在端板之间形成了空隙，并且随着位移的不断增加，空隙也越来越大，同时前两排螺栓受到端板的拉力作用也出现较大变形;梁腹板的受力部位主要是靠近端板的上下两侧位置，并且随着加载的进行，逐渐向梁端发展，同时梁翼缘会在靠近端板处出现屈服变形;第一排和第二排螺栓由于受到端板的拉力作用，其受到的应力要远远大于其他螺栓，而在最中间的第四排螺栓的应力是很小的;柱端板与柱右翼缘的连接处由于厚度的突变，造成了应力集中现象，导致连接处出现了较大的变形;柱腹板在顶板和柱加劲肋之间的部位以及连接翼缘处的应力较大．在正向加载到最大位移过程中，则是端板第五排螺栓和第六排螺栓之间率先出现较大变形，并形成空隙．且图中的应力最大值均出现在螺栓位置．图5给出了JD1梁端位移分别为－60 mm、－135 mm、60 mm、135 mm时的Mises应力云图．

图5 JD1 Mises应力云图

图6 JD2和JD5应力云图

通过对比JD2和JD5在负向最大位移处的应力云图，可以看到JD5中节点核心区柱腹板的应力值要小于JD2处的应力值，这说明为节点添加斜加劲肋有助于增强节点局部变形能力，JD2和JD5应力云图，如图6所示．

2.2 滞回曲线分析

图7分别给出了6个构件的梁柱节点荷载－位移曲线［13］，从构件JD1的滞回曲线中可以看到其形状属于反S形，滞回曲线的形状不饱满，说明该构件抗震能力较弱．将端板厚度增加2 mm后得到的JD2的滞回曲线形状较JD1饱满了许多，说明节点构件的抗震性能得到了有效的提高;而端板厚度增加4 mm后构件JD3的滞回曲线形状较JD2形状只是饱满了一些，说明抗震性能提高较小;同时观察JD4、JD5、JD6的滞回曲线，其形状愈加的趋近弓形，并同JD1、JD2、JD3进行相对应的比较，发现滞回曲线的形状稍有饱满，说明为柱端设置斜加劲肋可以提高节点的抗震性能，但效果不如增加端板厚度要好．

图7 梁柱节点荷载－位移曲线图

2.3 节点承载力分析

图8 为6个构件在循环荷载作用下的骨架曲线［14］．从图中可以看出，随着端板厚度的改变或者设置斜加紧肋使构件的极限承载力有所提高，但提高不大;其次，在正向加载时屈服荷载要大于负向加载时的屈服荷载，说明该节点在正向的抵抗变形能力要大于负向的抵抗变形能力．

2.4 节点刚度分析

通过滞回曲线计算每个循环峰值点的斜率可以得到各个构件的等效刚度曲线，如图9所示．可以看出正向加载时的构件的初始刚度要小于负向加载时的初始刚度，并且随着位移的增大，刚度不断的减小，这是一种刚度退化现象;由图9中JD1～JD3或JD4～JD6可以看出随着端板厚度的增加，各个位移的刚度均有所增加，但增加幅度不大;对JD1与JD4进行比较可以看到柱端增加斜加劲肋也在一定程度上提高了构件的刚度，由此得出:适当的增加端板厚度或加斜加劲肋可以使构件抵抗变形的能力有所提高，从而提高其抗震能力．

图8 骨架曲线

图9 刚度曲线

2.5 节点延性性能分析

构件的延性是反映其屈服后变形能力大小的主要参数，延性系数定义为

式中:μ为延性系数;um为由于地面运动引起的弹塑性体系的峰值或绝对最大变形;uy为为屈服变形．

通过计算得到JD1～JD6的延性系数，如表2所示．并将数据制作成延性系数折线，如图10所示．从图10中可知，虽然这6个构件延性系数相差不大，但依然可以看到随着端板厚度的增加或者增加斜加劲肋使构件的延性系数增加，而延性系数的增加有利于提高构件的抗震能力．

表2 各试件延性系数

图10 延性系数

图11 等效粘滞阻尼系数

2.6 耗能分析

等效粘滞阻尼系数大小常被用来作为衡量结构或构件抗震耗能能力的依据，通过对曲线图形面积的比较和计算分别得到JD1～JD6各个节点在反复荷载作用下的最大等效粘滞阻尼系数，如表3所示．并制成等效粘滞阻尼系数折线，如图11所示．从图11可知:(1)随着端板厚度的增加，等效粘滞阻尼系数也在增加，说明耗能能力提高;(2)增加斜加劲肋使等效粘滞阻尼系数增加，说明抗震耗能能力提高．

表3 各构件粘滞阻尼系数

3 结 语

通过对6个门式刚架梁柱节点的低周循环反复荷载拟静力有限元分析，可以得到以下结论:

(1)通过对JD1应力云图的分析，发现端板上下两端、螺栓、以及柱端板与柱翼缘连接处在循环荷载力的作用下是易发生变形的;在需要为节点进行加固改造时，这些部位需要优先考虑．

(2)原工程梁柱节点模型JD1的滞回曲线形状呈反S形，形状不饱满，说明该工程梁柱节点的抗震性能不好，需要提高节点的抗震性能．

(3)为原节点端板厚度增加2 mm后，节点的滞回曲线更加的饱满，刚度和延性均得到提高，使节点抗震性能得到了有效的提高，但节点厚度增加4 mm后，节点的抗震性能较厚度增加2 mm的节点并没有得到明显提高，说明节点端板厚度并非越大越好，适当增厚可有效提高抗震性能，故本工程中宜将节点端板厚度设为20 mm;为柱端设置斜加劲肋，使节点抗震性能得到提高，但提高的不多，同时可有效提高节点刚度，故可以为该梁柱节点添加斜加劲肋．

参考文献

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