K形偏心支撑钢框架的支撑节点优化设计

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)

0 引 言

偏心支撑钢框架结构体系具有中心支撑钢框架刚度大和钢框架结构延性大、耗能能力好的优点[1-6],适用于房屋高度超过50 m,抗震设防烈度为8、9度的高层民用建筑[7]。偏心支撑钢框架结构体系中消能梁段是偏心支撑框架的“保险丝”,在正常使用阶段,偏心支撑具有较大的刚度,结构侧移较小;在大震作用下通过消能梁段的非弹性变形耗能,而支撑不屈曲[7]。为了确保耗能梁段充分发挥其自身的耗能特性,可靠的节点连接是非常必要的[8]。但是不合理的支撑节点设计[3]会导致耗能梁段屈服的同时，支撑节点处应力过大而与材料的强度标准值接近,甚至支撑节点应力超过耗能梁段的应力[9]。

文献[9]研究了偏心支撑节点设计的必要性,未开展相关的优化设计研究,本文在此基础上,结合文献[7]对K形偏心支撑钢框架支撑下节点进行了不同的设计(65组),得出在相同水平荷载作用下耗能梁段和支撑下节点的应力情况;总结了偏心支撑钢框架耗能梁段屈服时支撑节点不屈服的支撑节点形式,以满足偏心支撑钢框架的抗震要求。进而,在对多种形式的支撑节点分析中找到既满足设计要求又对支撑节点应力降低较多的节点形式。

1 规范说明

在K形偏心支撑框架中,支撑的轴线通过框架梁与柱轴线的交点,支撑与框架梁柱的连接节点可以参考文献[7]中心支撑与框架梁柱的构造连接。对于H形截面支撑,在与梁和柱连接处梁和柱应设置加劲肋,支撑通过节点板连接时,节点板边缘与支撑轴线的夹角不应小于30°。文献[9]对实验模型分析后得出了在K形偏心支撑钢框架中,不合理的支撑节点设计会使耗能梁段在屈服的同时,支撑节点处也发生了屈服,节点形状改变后支撑节点的应力大幅减小,并且未发生屈服现象。

2 有限元分析

文献[9-10]已经验证了结构分析中采用有限元分析的有效性,本文采用与文献[9]相同的建模过程和分析方法。

2.1 有限元模型的建立

有限元模型选取了文献[7]的试验模型参数,设计尺寸如图1所示,柱截面为H150×150×7×10,梁截面为H200×100×6×8,支撑截面为H100×100×6×8。支撑下节点形状如图2实线所示,建立了水平板处于水平位置和竖向板处于竖向位置的1个原始模型;以及节点处的水平板在竖向由① ～⑧ 逐渐改变,竖向板由A～H逐渐变化,不断排列组合,共64个模型。钢材等级为Q235B。弹性模量取E=2.06×1011N/m2, 泊松比μ=0.3, 采用理想弹塑性假定准则,应用有限元软件ANSYS进行非线性有限元分析,所有构件采用实体单元solid185,各构件连接处和柱脚采用刚接,限制钢框架平面外变形。水平荷载以面荷载的形式单向加载,施加位置位于柱的最左端翼缘板与梁截面位置相对应处。

图1 偏心支撑钢框架几何尺寸

图2 偏心支撑钢框架支撑节点

2.2 模型分析结果

通过对所有模型进行单向加载分析得出不同节点形式下K形偏心支撑钢框架的内力分布情况,从中得出K形偏心支撑钢框架在相同水平荷载作用下所有模型耗能梁段、梁、柱和支撑的应力变化不大,但是支撑节点处应力变化很大。当水平荷载达到275 kN时,耗能梁段腹板中部最大剪应力为0.5fy;当水平荷载达到290 kN时,耗能梁段两侧剪应力也达到0.5fy，出现剪切屈服；当水平荷载为320 kN时,耗能梁段等效应力达到材料屈服强度,出现弯曲屈服。当水平荷载为410 kN时,耗能梁段出现塑性铰。而不同支撑节点形式模型在相同水平荷载作用下支撑节点处应力却变化很大,甚至有的节点应力超过耗能梁段应力,在耗能梁段出现剪切屈服和弯曲屈服时支撑节点应力与剪切屈服强度135.6 MPa和屈服强度235 MPa很接近,当荷载再增加时支撑节点最大应力区域面积增大。但有的模型支撑节点应力较小,未出现屈服或推迟屈服。

对全部65个模型(1个原始试验模型和64个改变参数模型)在耗能梁段出现剪切屈服(水平荷载为290 kN)时的内力进行有限元分析，各模型支撑节点的应力结果见表1所列。表1中，夹角为水平板与支撑轴线的夹角;当水平板位置分别在① 、② 、③ 、④ 处时,支撑节点最大应力除①-G模型外,其余均在节点腹板与水平板和柱翼缘相交点处;当水平板位置分别在⑤ 、⑥ 处时,支撑节点最大应力位于水平板下边缘最外端处;当水平板位置分别在⑦ 、⑧ 处时,支撑节点最大应力除⑦-A最大应力在水平板与柱相连下边缘最外端处外,其余均在水平板与柱相连上边缘最外端处。不同支撑节点的剪应力变化关系如图3所示,不同支撑节点的等效应力变化关系如图4所示。

表1 当P=290 kN时各模型支撑节点最大剪应力和等效应力 MPa

图3 不同形式支撑节点的剪应力

从图3a和图4a可以看出,当竖向板位置不变时,支撑节点水平板分别在① 、② 、③ 、④ 位置处的支撑节点最大应力随着水平板位置的下移而显著减小;而当支撑节点水平板在⑤ 、⑥ 、⑦ 、⑧ 位置处时出现波动起伏变化。当水平板在④ 、⑥ 、⑧ 位置时支撑节点最大应力较小,且3个模型支撑节点应力相差不大。

由图3b、图4b可知，当水平板位置不变时,节点应力变化不显著,支撑节点最大应力随着竖向板位置左移除①-G模型外而略有降低,总体变化不大。

图4 支撑节点不同形式的等效应力

在偏心支撑钢框架设计中要考虑一些构造要求,如在柱中分别与梁翼缘和支撑节点水平板相交位置,在梁中与支撑节点竖向板和支撑翼缘相交位置处设置加劲肋,加劲肋间距不能太近以免连接焊缝太近而影响钢材的受力性能。最大应力在水平板上由于材料厚度较小很容易发生局部失稳而影响节点受力。考虑构造要求并通过计算结果分析得出,此偏心支撑钢框架支撑节点水平板在④ 位置,与支撑轴线夹角为21°,竖向板在E位置处比较合适。

3 模型对比分析

通过耗能梁段开始出现剪切屈服时各支撑节点应力的分布情况，得出了较合适的节点形式,现选出原模型、④-E模型、⑥-E模型和⑧-H模型,对这4个模型分别在不同水平荷载作用下进行非线性有限元分析,结果如图5所示。

图5 4种模型在不同荷载作用下的最大应力

从图5可以看出,原模型应力在钢框架剪切屈服前支撑节点处最大应力值高于耗能梁段应力,剪切屈服后支撑应力略小于耗能梁段应力,但是数值较大,接近于材料抗剪强度和屈服强度,剪切屈服后随着水平荷载的增加支撑节点处应力增量很小,但是其最大应力区域面积增加很大。而对于其他3种模型明显可以看出，支撑节点处的剪应力和等效应力均低于耗能梁段腹板中部的应力,当水平荷载在380 kN或410 kN时才接近材料的抗剪强度和屈服强度。⑧-H模型各水平荷载下的支撑节点最大应力小于其他3个模型,而与④-E模型、⑥-E模型2种模型支撑节点最大应力接近。

4种模型支撑节点在耗能梁段达到剪切屈服、弯曲屈服和塑性铰时的应力分布如图6所示,可明显看出原模型的支撑节点最大应力范围大于其他3种模型。

图6 4种模型支撑节点不同情况下的应力分布

4 结 论

本文在前人研究的基础上设计了一榀偏心支撑钢框架模型,为了使偏心支撑钢框架具有良好的耗能能力以及减小支撑节点应力,在原模型基础上设计了64个不同形式的支撑节点模型,并对其进行了分析对比。

通过对65个偏心支撑钢框架模型在耗能梁段出现剪切屈服时的有限元分析，找出了支撑节点应力较小的3个模型。并对原模型及这3个模型在不同水平荷载作用下进行了有限元分析,通过分析得出原模型在耗能梁段剪切屈服时支撑节点剪应力和等效应力均大于耗能梁段相应应力,且应力值均较大并接近钢材的抗剪强度和屈服强度。耗能梁段出现剪切屈服后原模型的支撑节点

最大应力值增量很小，但是应力最大值区域面积增加较多。而在不同水平荷载作用下其他3个模型支撑节点应力明显与原模型相比减小很多。而3个模型在相同水平荷载作用下支撑节点应力接近。

由于所有模型构件均为理想构件,没有考虑实际缺陷的影响,因此3个模型具体哪一种更有利于结构的应用将在后续相关实验中得以检验。