方钢管柱-H 型钢梁外加强环节点抗震性能的影响参数分析

2020-06-17徐培蓁陈韦良朱亚光

结构工程师 2020年2期

徐培蓁陈韦良林鹏朱亚光

（1.青岛理工大学土木工程学院，青岛266033；2.费县行政审批服务局，临沂273400）

0 引言

长期以来，钢材一直被作为绿色建筑材料而得到广泛的应用，钢结构建筑抗震性能优良，在建筑施工过程中具有污染小、能耗较低、废旧建筑产生的钢材回收利用率较高等优势。在钢结构建筑中的梁柱通过节点连接成为一个整体，节点性能优劣是影响整个钢结构的抗震性能的重要因素，因此节点设计是钢结构设计中至关重要的组成部分［1］，Kubota［2］；李斌和高春彦［3］；王恒华和俞晓［4］分别对方钢管混凝土-H型钢梁分离式外隔板节点、方钢管混凝土柱-钢梁外加强环新型节点以及H型钢梁-钢管柱刚性连接的新型节点进行了荷载试验及有限元分析。研究表明：该类节点破坏时发生明显的塑性铰外移，具有良好的延性及耗能能力，随着轴压比的增大节点的承载力和位移延性降低。但国内对于方钢管柱-H型钢梁外加强环式节点的研究相对较少。

外加强环节点［5］（图1（a））是将H型钢梁置于上、下外加强环板之间，然后再将H型钢梁、方钢管柱和外加强环板两两之间通过焊缝连接成整体。此类外加强环节点，综合了传统的翼缘板板式节点（图1（b））和外隔板式节点（图1（c））传力路径简洁明确、刚度大等优点。使用ABAQUS有限元软件，对方钢管柱-H型钢梁外加强环式节点进行数值模拟，研究加强环板厚度与梁翼缘厚度比、加强环板角度、方钢管柱宽度与加强环板外宽度比及方钢管柱宽厚比的变化对方钢管-H型钢梁节点抗震性能的影响。

1 节点有限元模型

1.1 有限元模型

图1 节点示意图Fig.1 Connection sketch drawing

图2 表示的是节点模型的梁柱尺寸，柱顶加载点至柱底固定点长度为1 870 mm，梁下表面距柱底固定点长度为835 mm，单侧梁从柱表面外伸长度为 1 540 mm［6-8］，梁截面尺寸为 200 mm×100 mm×5.5 mm×8 mm，柱截面尺寸为180 mm×180 mm×10 mm。本节点模型中钢材采用细网格剖分的线性减缩积分单元——8节点减缩积分格式的三维实体单元（C3D8R）。

图2 节点尺寸图（单位：mm）Fig.2 Connection configuration（Unit：mm）

1.2 材料本构关系

试验钢材均为Q235B普通碳素钢，依据金属材料拉伸试验规范［9］对钢材进行拉伸实验，测得的各构件的材料性能如表1所示。

表1 节点各构件材性性能试验结果Table 1 Test results of material properties of connection

本文钢材塑性阶段采用的真实应变和真实应力是由名义应变和名义应力通过公式ε=ln(1+εnom)和σ=σnom(1+εnom)转换而来，其中ε为真实应变，σ为真实应力，εnom为名义应变，σnom为名义应力，由此得到的节点各部分钢材的真实应变-真实应力曲线如图3所示。

图3 本构关系曲线Fig.3 Constitutive relation curve

1.3 边界条件与加载方式

方钢管柱-H型钢梁节点的实际试验边界条件和模拟分区及边界条件如图4、图5所示。在方钢管柱和梁两端分别创建参考点，将节点试件的四个截面分别通过运动的约束关系耦合到创建的参考点上，以形成完整的节点模型。为了模拟不动铰支座，在柱的底部设置了x、y、z三维位移约束和y、z方向角度约束；为模拟滑动铰支座，在柱的顶部设置了x方向位移约束；在梁的两端设置了x、z方向位移约束，确保钢梁只能进行水平移动；在两端梁的中心施加x方向位移约束，以确保钢梁在整个过程中不会由于扭转而遭受横向失稳。

在此节点的有限元分析中，荷载包括竖向集中荷载和水平反复荷载，采用以位移为控制变量的加载方式，加载制度参考美国抗震规范［10］。位移加载制度［11］如表2所示。

1.4 节点模型参数

有限元分析中，为了对比研究加强环参数对节点抗震性能的影响，设置了如下4种类型加强环参数，分别为加强环厚度与梁翼缘厚度比td∕tf、加强环板角度θ、方钢管柱宽度与加强环板外宽度比D∕Wd、方钢管柱宽厚比D∕tc。各参数说明如图6所示，td是加强环厚度，tf是为梁翼缘厚度，D是方钢管柱宽度，tc是方钢管柱壁厚，Wd是加强环板外宽度。

图4 真实试验边界条件示意图Fig.4 Schematic diagram of real test boundary condition

图5 模拟边界条件约束示意图Fig.5 Boundary condition of simulation

表2 柱端加载制度表Table 2 Column end loading history

图6 节点参数Fig.6 Connection parameters

以td∕tf为变量的模型编号为HD，以θ为变量的模型编号为HJ，以D∕Wd为变量的模型编号为HW，以D∕tc为变量的模型编号为ZC，根据不同的变量分别建立有限元模型，这4组参数变量中设有一个基准模型编号为BZ，各节点模型具体参数如表3所示。

表3 节点模型参数表Table 3 Connection model parameter table

2 有限元分析方法的试验验证

以实际试验构件［12-13］的尺寸参数为依据建立有限元节点模型，并对其进行模拟计算，将ABAQUS分析得到的计算数据与实际实验数据进行对比分析，模拟计算结果和实际试验结果的对比如图7所示。

图7 破坏模态对比Fig.7 Failure mode comparison

由图7对比可知，模拟计算结果中梁端应力集中与实际破坏结果吻合，两者的破坏模态形式均为梁端塑性铰破坏。由图8对比结果可知，模拟计算结果与实际试验结果的滞回曲线形状基本一致均为饱满的“纺锤形”，抗震和耗能能力比较强。从图9的比较结果可以看出，通过ABAQUS计算获得的骨架曲线与通过实际试验获得的骨架曲线基本相似，并且均呈S形。由于在数值模拟时，结构采用的是理想的弹塑性材料，导致试验曲线屈服后下降缓慢，与有限元模拟曲线未能完全重合，但变化趋势具有很高的相似性，因此通过ABAQUS建立的外加强环节点模型和计算结果是可行的。

3 参数分析

通过ABAQUS有限元计算软件，建立不同参数的有限元模型，并对节点模型采用相同的位移加载制度进行分析计算。从计算结果中提取各参数变量模型对应的应力云图、滞回曲线（图8）和骨架曲线（图9）等数据，对上述计算数据进行对比分析，探讨影响方钢管柱-H型钢梁外加强环节点抗震性能指标的各种参数。

图8 滞回曲线对比Fig.8 Hysteresis curve comparison

图9 骨架曲线对比Fig.9 Skeleton curve comparison

3.1 影响破坏模态的参数分析

为了更好满足“强柱弱梁、强节点弱构件”的抗震设计理念，当试件发生破坏时应使高应力区域出现在梁端，进而产生梁端塑性铰破坏，避免试件首先在节点核心区或柱端发生破坏。图10所示为模型的3种破坏模态，分别为梁端塑性铰破坏、节点核心区扭曲变形破坏和方钢管柱局部屈曲破坏。对节点试件的破坏模态影响较小的参数是θ、D∕Wd，节点均为梁端塑性铰破坏；对节点的破坏模态有明显影响的参数是td∕tf、D∕tc，当td∕tf＜0.88，节点由梁端塑性铰破坏向节点核心区扭曲变形破坏发展；当D∕tc＞18时，节点由梁端塑性铰破坏向方钢管柱的局部屈曲破坏发展。

3.2 影响滞回曲线的参数分析

图10 节点模型破坏模态Fig.10 Failure modes of connection models

图11 为4组参数对应的具有代表性的滞回曲线图。结果表明：对节点的滞回曲线没有较为明显影响的参数是θ、D∕Wd，滞回曲线均表现为饱满的“纺锤状”，节点的抗震与耗能能力较好，以BZ和HW-01模型为例给出滞回曲线分别为图11（d）、（e）所示，加载后期均出现下降趋势，且破坏方式均为梁端塑性铰破坏；对节点试件的滞回性能有较为明显影响的参数是td∕tf，由图 11（a）-（c）可以看出，节点滞回曲线均表现为饱满的“纺锤形”，但当td∕tf＜0.88时滞回曲线加载后期随位移的增大承载力下降较为缓慢，表明节点在受力后期不能产生较大的塑性变形，在破坏时不能提供较好的警示作用，属于核心区扭曲变形破坏；对节点的滞回性能有较大影响的参数是D∕tc，由图11（f）-（h）可以看出，随着D∕tc的增大，节点滞回曲线的滞回面积逐渐减小且趋于捏拢状态，节点承载力及耗能能力都逐渐下降。

3.3 影响骨架曲线的参数分析

图12为4组参数对应的骨架曲线图，由图可以看出，4组试件的骨架曲线均呈“S”形，有明显的屈服点，体现了此类加强环节点完整的弹性、弹塑性和破坏发展阶段。对骨架曲线影响不显著的参数分别是θ、D∕Wd，骨架曲线基本重合；对弹性阶段的骨架曲线影响较小、对破坏阶段的骨架曲线影响较为明显的参数是td∕tf，当td∕tf＜0.88 时，由于破坏形态不同节点模型骨架曲线下降段出现较为延后，下降趋势较为缓慢，弹性阶段后节点承载力明显降低；对节点试件的骨架曲线影响显著的参数是D∕Wd，由图12（d）可以看出，在弹性阶段内节点受力情况基本一致，弹性阶段后，随着D∕tc的增大节点的极限承载力呈现出逐渐降低的趋势。

图11 节点模型滞回曲线Fig.11 Connection model hysteretic curves

图12 节点模型骨架曲线Fig.12 Skeleton curves of connection models

3.4 影响耗能能力的参数分析

耗能能力是反映一个结构抗震性能的主要因素之一，结构耗能能力常用等效黏滞阻尼系数和能量耗散系数来表示。取最大荷载作用下的滞回环来计算能量耗散系数E和等效黏滞阻尼系数he［14-15］。

4组试件的计算数据如表4所示，钢结构双腹板半刚性节点的he一般介于0.12～0.20之间，由表4可以看出，节点的等效黏滞阻尼系数都介于0.21～0.44之间，表明此类加强环节点拥有出色耗能能力，随之能大大提高了结构的抗震性能。对节点的耗能能力没有明显影响的参数是θ、D∕Wd，黏滞阻尼系数基本一致；对节点耗能能力有明显影响的参数是td∕tf、D∕tc，加强环节点的抗震耗能能力随着变量td∕tf的减小呈逐渐降低的趋势，加强环节点的抗震耗能能力随着变量D∕tc的增大呈逐渐降低的趋势。