T型钢厚度对半刚性连接平面钢框架抗震性能的影响

2019-02-10

福建质量管理 2019年24期

(洛阳理工学院土木工程学院河南洛阳 471023；河南省装配式建筑结构工程技术研究中心河南洛阳 471023)

前言

半刚性连接钢框架具有较好的延性及较高的承载力，可避免因焊缝缺陷导致地震作用下刚性连接节点出现的脆性破坏现象[1-3]。半刚性梁柱连接节点采用高强度螺栓连接，无需现场施焊，具有施工速度快，质量容易保证等优点。T型钢梁柱连接节点作为具有施工方便成本低廉等优点并且其刚度较大抗震性能较好，因此引起了国内外学者的广泛关注。Popov[4]、Piluso[5]等研究发现T型钢连接钢框架具有良好的力学性能。王新武、布欣等[6-8]对T型钢连接空间节点进行了拟静力试验研究。宋晓光等[9]研究了T型钢连接的受力机理并提出简化滞回模型，戴绍斌[10]等利用有限元程序，研究了T型钢的破坏形式和受力性能。研究结果表明，梁柱T型钢连接节点具有较高承载力，良好的延性，抗震性能优越。

目前关于T型钢翼缘与腹板的厚度即连接件刚度对钢框架在抗震性能方面的研究较少。本文采用通用有限元软件ABAQUS，对3种不同刚度T型钢连接的半刚性钢框架进行有限元分析，研究其在低周循环荷载作用下的螺栓预紧力损失、梁柱塑性发展、框架滞回性能、延性、等效粘滞系数等抗震性能指标。

一、有限元模型

(一)模型建立

为研究平面内两层单跨半刚性连接钢框架的整体抗震性能，设计制作1：2缩尺比例的试验模型见图1，有限元模型见图2，首层层高2.2m，二层层高2.0m，模型设计总高度4.2m。梁柱均采用Q235B热轧H型钢，框架柱截面为HW175×175×8×11，为便于连接，柱顶向上延长300mm，设计柱长度4500mm，框架梁截面为HM194×150×6×9，设计长度3000mm。梁柱节点处T型钢连接件采用热轧H型钢剖切而成，分别选取不同腹板和翼缘厚度的T型钢连接件，每段截取长度150mm，有限元模型中T型钢连接件的具体规格见表1。

图1 框架试验模型

图2 框架有限元模型

表1框架节点连接件规格尺寸

模型名称截面尺寸/mm×mm×mm材质KJT14T168×200×9×14Q235BKJT16T170×200×10×16Q235BKJT18T172×200×11×18Q235B

依据材性试验的数据，有限元计算时钢材弹性模量取为206GPa，泊松比为0.3，所有螺栓采用10.9级M16摩擦型高强螺栓，施加螺栓预紧力为100kN，材料服从Von Mises屈服准则和随动强化流动法则。加载制度采用位移控制的低周循环荷载，水平位移荷载施加在顶层框架节点处，位移步长Δ=15mm，每级荷载循环一周，加载至10Δ时计算终止。加载制度详见图3。

图3 加载制度

(二)网格划分及接触定义

模型构件中的网格采用六面体C3D8R减缩积分单元，相较于完全积分单元，在单元扭曲较大的情况下，减缩积分单元能保持较高的计算精度，防止单元刚度过大。为了提高计算精度，同时保证模型具有较好的收敛性，划分网格时，在T型钢、螺栓及梁柱节点等应力集中区域和重点观察区域对网格进行加密处理，网格划分如图4所示。

考虑到构件之间的接触非线性属性，接触属性定义为切向行为，定义摩擦公式为Penalty，摩擦系数为0.3。

图4 节点网格划分

二、有限元计算结果分析

(一)应力分析

(a)KJT14应力云图

(b)KJT16应力云图

(c)KJT18应力云图

图5为相同载荷条件下，不同厚度T型钢连接件应力云图，提取各T型钢连接件的最大Mise应力，KJT14中T型钢连接件的最大Mises应力为518.6MPa，KJT16中T型钢连接件的最大Mises应力为472.1MPa，KJT18中T型钢连接件的最大Mises应力为433.2MPa。

随着T型件刚度的增加，T型件最大应力呈递减趋势，翼缘厚度由14mm至18mm每增加2mm，所受应力降至较薄T型钢的91%，KJT18相比KJT14，最大应力为后者的83.5%。

图6 KJT16一层节点(试验)

图7 KJT16一层节点(有限元)

图6为试验时一层节点处的变形情况，图7为对应有限元分析结果。试验结果表明KJT16中T型钢腹板与翼缘连接处及节点域柱腹板处率先进入塑性变形，并逐渐向周围扩展，破坏首先出现在T型件腹板与翼缘交接处，其次出现在节点处柱腹板区域，有限元计算结果与试验结果一致。

(二)高强螺栓预拉力分析

图8为螺栓预拉力随荷载等级的变化曲线，Bolt1、Bolt2为T型钢翼缘处受拉压螺栓，Bolt3、Bolt4为T型钢腹板处受剪切螺栓，受拉压螺栓的变化幅值更大，受剪切螺栓的衰减幅度更大。对比图8(a)～(f)，螺栓预拉力在循环加载过程中均逐渐损失，底层节点处较二层节点处损失严重。至加载结束时，KJT14二层框架Bolt1衰减至初始值的75.84%，一层节点Bolt1衰减至初始值的1.19%，此时螺栓已失去作用，处于松弛状态。厚翼缘由于比薄翼缘T型钢刚度大，螺栓预拉力在加载过程中衰减更迅速，KJT14二层框架Bolt1衰减至初始值的75.84%，KJT16二层框架Bolt1衰减至初始值的64.82%，KJT18二层框架Bolt1衰减至初始值的53.43%，主要是由于T型钢刚度增加，螺栓受到的剪切与挤压效应增长，导致预拉力衰减迅速。

(a)KJT14一层节点

(b)KJT16一层节点

(c)KJT18一层节点

(d)KJT14二层节点

(e)KJT16二层节点(f)KJT18二层节点

图8KJT系列节点螺栓预拉力变化曲线

(三)滞回特性分析

图9 KJT系列滞回曲线

图9为KJT系列有限元滞回曲线，可以看出钢框架滞回曲线均较为饱满，T型钢翼缘厚度由14mm增加到18mm，滞回曲线的形状无明显变化。

(四)承载力分析

表2为框架极限承载力的有限元数据对比，正向加载时，KJT16、KJT18分别较KJT14提高9.79%和10.49%，负向加载时，KJT16、KJT18分别较KJT14提高16.99%和18.08%，说明增加T型钢连接件厚度可以提高框架的极限承载力，但承载力增长程度不大，因此可参考柱翼缘厚度确定合适的连接件厚度[11]。