装配式抗侧力格构柱抗震性能有限元分析*

2018-12-14赵东拂

中国计划生育学杂志 2018年8期

赵东拂王磊

(1.北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044;2.北京未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044;3.工程结构与新材料北京市高等学校工程研究中心，北京 100044;4.北京节能减排关键技术协同创新中心，北京 100044)

2017年2月24日国务院办公厅发布《关于促进建筑业持续健康发展的意见》，提出“坚持标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用，推动建造方式创新，大力发展装配式混凝土和钢结构建筑，不断提高装配式建筑在新建建筑中的比例”。钢结构中梁柱节点不仅影响到结构承载力的可靠性和安全性，还会对结构构件的加工制作与工地安装的质量造成影响［1］，从而影响装配化施工效率。钢结构中传统的梁柱节点连接方式主要有焊缝连接、螺栓连接、栓焊混合连接，其中焊缝连接、栓焊混合连接已不适应装配化施工的发展趋势，螺栓连接成为钢结构梁柱节点的主要发展方向。杨晓杰等对矩形钢管柱与H形梁端板对拉螺栓连接的滞回性能进行研究，分析了节点的受力模型、破坏形式、延性及耗能能力。但对拉螺栓的预紧力会对矩形钢管柱的几何形状、力学性能产生不利影响［2］。庄鹏等通过有限元结构分析软件研究了装配式钢结构方钢管柱与H型钢梁采用内套筒-T型连接件实现梁柱连接节点的力学性能［3］。马强强等通过改变内套筒与方钢管柱的安装间隙，建立有限元分析模型，针对方钢管柱与H型钢梁装配式连接节点试件在低周往复荷载作用下的破坏模式、耗能能力、承载力、延性、刚度退化等抗震性能进行分析［4］。贺泽锋提出一种适用于方钢管柱与 H型钢梁连接的新型单边全螺栓连接形式，对比研究了新型单边全螺栓连接与普通全螺栓连接的破坏形态以及承载力、滞回性能、延性、耗能能力、刚度退化等抗震性能的异同［5］。卢俊凡等对 ConXL节点的螺栓间距和位置进行重新布置，利用ABAQUS进行非线性有限元分析，研究了改进后装配式节点在低周反复荷载作用下的力学性能及柱壁厚度、翼缘套板厚度、翼缘连接板厚度和梁端圆弧削弱深度等参数对该节点受力性能的影响［6］。刘学春等对三个不同参数螺栓连接的多高层钢结构装配节点的抗震性能进行试验和有限元分析，获得以梁端荷载-位移表征的滞回曲线、骨架曲线、延性性能、转动能力、刚度退化曲线等，分析了法兰螺栓和盖板螺栓对试件受力性能的影响［7］。Gerami等采用有限元软件模拟分析了螺栓布置对试件滞回性能的影响［8］。Dessouki等通过建立三维有限元模型，分析了梁高、端板厚度、螺栓直径、螺栓间距、螺栓规格和端板加劲肋等不同参数对全螺栓梁柱节点连接性能的影响［9］。Mashaly等考虑 12个参数建立三维有限元模型，研究了各参数对全螺栓梁柱节点能量耗散的影响［10］。Liu等提出了一种适用于模块化预制钢结构的梁柱节点，研究了该节点的滞回性能、骨架曲线、延性性能、耗能能力、转动能力和刚度退化规律［11］。2015年 Liu等提出了一种适用于模块化预制钢结构的现场螺栓连接形式，通过试验和有限元分析软件ABAQUS研究其滞回性能、骨架曲线、延性性能及破坏模式，进而确定其抗震性能［12］。

上述研究虽各有其优点，但其梁柱节点构造复杂，所需螺栓数量较多，拼装工作量较大，不利于快速施工。本文提出一种新型装配式梁柱节点。该节点由4个高强螺栓连接横梁与肢柱，构造简单，施工方便。装配式抗侧力格构柱由横梁、肢柱、缀件、接头、钢片、垫块、高强螺栓等组成，见图1，其中肢柱、缀件、接头、钢片、垫块等通过工厂化生产，在工厂内完成焊接，运输到施工现场后，通过高强螺栓实现接头与横梁的连接，达到装配化施工的目的。前期研究中模拟结果与试验结果的对比分析表明：利用ABAQUS所建立的模型，可以较为准确地模拟试件的抗震性能，模拟结果与试验结果吻合较好，验证了ABAQUS模拟分析相似试件的可行性，为本文的研究提供了技术支持。

1 有限元模型

1.1 模型验证

在课题组前期研究工作中，对抗侧力格构柱进行了一系列的探索。张旭阳通过拟静力试验及有限元分析软件ABAQUS对钢筋缀件格构柱的抗震性能进行了研究，试件为足尺试件，其模拟结果与试验结果的对比分析见图2。试件梁柱节点为焊接，有限元模型梁柱节点为“绑定”(TIE)连接，模拟结果与试验结果相近，说明所建模型的单元选择和参数设置可以较好地模拟试件的抗震性能［13-14］。

孙菲通过拟静力试验及有限元分析软件ABAQUS对装配式抗侧力钢柱的抗震性能进行了研究，试件缩尺比例为1∶2，其模拟结果与试验结果的对比分析见图3、图4［15-16］。为简化数值模拟分析，所建立的模型中梁柱节点均采用“绑定”连接，数值模拟得到的结果与通过试验得到的结果大致相符，说明数值模拟可以作为试件进行抗震性能分析的手段，为后续相似试件的模拟分析提供了技术支持，但“绑定”连接与实际试件存在差异，仍需进一步精细化模拟。

图2 钢筋缀件格构柱滞回曲线对比［13-14］Fig.2 Comparison of hysteresis curves of lattice columns decorated with pieces

图3 装配式抗侧力钢柱滞回曲线对比［15-16］Fig.3 Comparison of hysteresis curves of prefabricated lateral resistant steel columns

图4 钢-木组合柱滞回曲线对比［17-18］Fig.4 Comparison of hysteretic curves of steel-wood composite columns

孟颖［17-18］通过拟静力试验及有限元分析软件ABAQUS对钢-木组合柱的抗侧力性能进行了研究，试件为足尺试件，其模拟结果与试验结果的对比分析见图4。在本次建模中，梁柱节点采用高强螺栓连接，更为准确地模拟了试件真实的连接方式，验证了课题组成员采用ABAQUS模拟分析的准确可行性。

通过课题组一系列的试验研究、有限元模拟及相互对比，验证了ABAQUS模拟分析试件抗震性能的准确性，为后续装配式抗侧力格构柱的模拟分析提供了技术支持。

1.2 分析模型

在拟静力试验中，装配式抗侧力格构柱试件尺寸B×H为600 mm×3 000 mm，B为试件轴线宽度，即两肢柱轴线间水平距离;H为试件整体高度，即横梁上翼缘上表面肢柱下端表面间的垂直距离。其中横梁为H型钢梁，截面尺寸为250 mm×125 mm×6mm×9 mm，肢柱为方钢管柱，截面尺寸为80 mm×80 mm×5 mm，钢片尺寸为 100 mm×100 mm×4 mm，垫块尺寸为80 mm×30 mm×10 mm，螺栓为10.9级M8摩擦型高强螺栓，钢筋缀件直径22 mm，尺寸见图5。采用有限元分析软件ABAQUS建立模型，模型尺寸与拟静力试验中的试件尺寸完全相同。

图5 缀件尺寸Fig.5 Size of studding piece

1.3 单元选取

横梁、肢柱、接头、钢片、垫块、高强螺栓等均采用八结点线性六面体单元(C3D8R)模拟;缀件采用十结点修正二次四面体单元(C3D10MH)模拟。横梁的单元尺寸为10 mm，共6 372个单元;肢柱的单元尺寸为20 mm，共4 256个单元;接头的单元尺寸为8 mm，共1 290个单元;钢片的单元尺寸为5 mm，共1 600个单元;垫块的单元尺寸为8 mm，共400个单元;高强螺栓的单元尺寸为2 mm，共5 600个单元;缀件的单元尺寸为11 mm，共13 712个单元。

1.4 材料本构关系

缀件选用HPB300级钢筋，横梁、肢柱、接头、钢片、垫块等均选用Q345B级钢材［15］，采用双折线模型模拟，泊松比均取为0.3，材性试验参照《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》［19］进行，实测所得材料性能见表1、表2。高强螺栓材料属性见文献［20］，采用双折线模型模拟，泊松比取0.3。采用von Mises屈服准则、相关流动准则以及随动强化准则。在弹性和塑性加载阶段都考虑几何非线性以及大变形［21］。

表1 Q345B钢材力学性能参数Table 1 Mechanical properties parameters of Q345B MPa

表2 HPB300钢筋力学性能参数Table 2 Mechanical properties parameters of HPB300 MPa

1.5 相互作用及接触

1.5.1 绑定约束

在拟静力试验中，试件的接头与肢柱、肢柱与垫块、垫块与缀件、缀件与钢片的连接均采用焊接，焊缝长度由部件尺寸确定，角焊缝焊脚尺寸为10 mm。在ABAQUS模型中，上述部件均采用“绑定”(Tie)连接。

1.5.2 接触类型

在拟静力试验中，试件的横梁与接头通过高强螺栓连接。在ABAQUS模型中，高强螺栓连接的接触面分为两类：螺杆与孔壁之间、螺帽与横梁下翼缘、接头顶板之间的接触为小滑移［22］，横梁下翼缘、接头顶板之间的接触为有限滑移。接触面切向行为采用“罚”接触，摩擦系数取 0.4［23］，法向行为采用“硬”接触。通过“螺栓荷载”命令，对各螺栓中间面施加预紧力24 kN。

1.6 破坏判定

当承载力下降至极限承载力的85%［24］，或梁柱节点发生严重变形，或层间位移角达到1/50时(1/50为多、高层钢结构弹塑性层间位移角限值［25］)，认为试件破坏，停止加载。

1.7 加载制度

在横梁端部施加荷载，采用位移控制加载，加载制度见图6。在恒定轴向压力100 kN(柱轴压比控制在 0.3［23］)作用下，分别以 1/1 000、1/600、1/300、1/250、1/200、1/150、1/100、1/75、1/60、1/50 的层间位移角对试件进行加载，每级加载循环3次，直至加载结束。

图6 加载制度Fig.6 Loading system

2 有限元分析

在加载初期，位移从加载层间位移角1/1 000增大到1/250时，梁柱节点、接头、肢柱、垫块、缀件、钢片均未发生明显变形，见图7、图8，说明试件处于弹性阶段;随着加载的进行，缀件应力逐渐增大，开始出现局部弯曲;随着层间位移角的不断增大，缀件应力不断增大，上部缀件出现较大变形;当层间位移角达到1/50时，认为试件破坏，停止加载。试件分析结果见图9、图10。由图9可知：试件中横梁、肢柱、接头等部位的应力较小，未出现明显的变形;缀件的应力较大，弯曲变形较大。由图10可知：新型装配式梁柱节点所受应力较小，未出现明显变形;部分高强螺栓在螺杆处有较大应力，未出现明显变形。有限元分析结果表明：新型装配式梁柱节点在水平低周往复荷载作用下并未破坏，说明该节点符合抗震要求。

图7 层间位移角为1/250时试件应力云图 PaFig.7 Stress nephogram of specimen at 1/250 of story drift angle

图8 层间位移角为1/250时新型装配式梁柱节点应力云图 PaFig.8 Stress nephogram of the new type of prefabricated beam-column joint at 1/250 of story drift angle

图9 加载完成时试件应力云图 PaFig.9 Stress nephogram of specimen after loading

3 抗震性能研究

本文将从滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、延性性能及耗能能力等方面研究装配式抗侧力格构柱的抗震性能。

图10 加载完成时新型装配式梁柱节点应力云图 PaFig.10 Stress nephogram of the new type of prefabricated beam-column joint after loading

3.1 滞回曲线

数值模拟分析完成后，提取试件横梁端部的荷载-位移数据，得到试件的滞回曲线(图11)，由图可知：试件的滞回曲线较为饱满，说明试件具有较强的抗震耗能能力，抗震性能良好。在加载初期，试件处于弹性阶段，荷载-位移曲线近似呈直线;随着加载的进行，试件进入弹塑性阶段，荷载-位移曲线逐渐张开，呈较为饱满的梭形，每级加载时的荷载-位移曲线所包围的面积逐渐增大，说明试件的抗震耗能逐渐增大，试件具有良好的抗震耗能能力;在加载后期，试件的抗侧力出现下降趋势。装配式抗侧力格构柱的滞回曲线出现“捏缩”现象，原因是高强螺栓出现了滑移。

图11 滞回曲线Fig.11 Hysteretic curves

3.2 骨架曲线

由图12的骨架曲线可见：在加载初期，骨架曲线近似呈直线，说明试件处于弹性阶段;随着加载的进行，试件逐渐进入弹塑性阶段，当位移达到40 mm时，抗侧力达到最大值;随着加载位移的进一步增大，试件的抗侧力开始出现下降趋势，当位移达到60 mm时，即层间位移角达到1/50时，认为试件破坏。骨架曲线正、反向趋势相似，抗侧力数值接近，说明试件在正、反向有相似的力学性能和抗震性能［26］。

3.3 刚度退化

本文采用割线刚度［24］表示试件的刚度。试件的刚度退化曲线见图13。由图13可知：试件的刚度退化近似呈线性，刚度退化较为缓慢。试件的刚度近似呈线性减小，未发生突变，说明装配式抗侧力格构柱的稳定性较好。

图12 骨架曲线Fig.12 Skeleton curve

图13 刚度退化曲线Fig.13 Stiffness degradation curve

3.4 延性性能

本文采用位移延性系数［24］对装配式抗侧力格构柱的延性进行量化分析，见表3。由表3可知：装配式抗侧力格构柱正向屈服位移较负向屈服位移大5.3%，原因是在弹塑性阶段，试件正向加载时产生了塑性损伤，使试件的抗侧能力降低，导致负向加载时的屈服位移偏小;装配式抗侧力格构柱正、负向的位移延性系数均大于3，具有较好的变形能力，满足抗震性能限值要求［27］。

表3 试件延性Table 3 Ductility of specimen

3.5 耗能能力

本文采用等效黏滞阻尼系数 ζeq［24］对试件的耗能能力进行量化分析，见表4。由表4可知：随着加载的进行，试件的等效黏滞阻尼系数不断增大，说明试件的耗能能力不断增大，试件在破坏时的等效黏滞阻尼系数约为 0.308 ，比钢框架［28］(0.116 ～0.157)，钢框排架［29］(0.191 )、钢筋混凝土剪力墙［30］(0.094～0.208)等试件的等效黏滞阻尼系数大。由对比可知，装配式抗侧力格构柱具有较好的耗能能力，抗震性能良好。