装配式梁翼缘侧板加强-狗骨式削弱节点滞回性能及变参研究

郑 宏，杨瑞鹏，戴永超，郁曙光

(长安大学 建筑工程学院，陕西 西安 710061)

0 引 言

钢结构体系在抵抗地震作用方面有其独特的性能，钢梁柱节点在钢框架抗震中发挥着重要作用，其已成为钢结构体系研究中的热点。研究发现梁柱端板连接在增加结构耗能中表现良好且形式多样[1-2]。目前端板连接分为加强型和削弱型[3-5]。强旭红等[6]通过对高强钢外伸式端板节点性能试验与有限元分析得出：高强钢端板连接具有较好的转动能力。Gholami等[7]通过对3种端板试件进行试验和有限元模拟分析，得出3种试件均在盖板的端部出现了明显的塑性区域,建议设计时提高焊缝材料强度并减小盖板尺寸。Popov等[8]通过对狗骨式节点进行试验研究得出：各试件在加载过程中具有稳定的承载能力和变形能力以保护节点域。樊宝锋等[9-11]通过有限元分析探讨了在不同螺栓、端板厚度以及开孔参数情况下节点力学性能的响应。王路遥[12]结合加强型和削弱型2种方式制作试件进行试验分析，结果表明试验节点能充分发挥2类节点的长处。加强型节点依靠增加梁柱节点构造迫使塑性铰外移，虽然可以增加其抗震性能，但构造过多会产生残余应力，过少则不能满足要求，对构造形式要求严格。削弱型节点在使塑性铰外移方面表现良好，但同时会降低节点的强度。结合加强型和削弱型2类节点的优缺点，综合已有的研究成果，提出了一种更为良好的实现抗震要求的节点形式[13]，该新型节点不仅可以有效缓解加强型节点装配困难和削弱型节点强度减弱的问题，还可以通过端板实现装配化施工。

1 有限元数值模拟

对文献[14]中的SPS-1试件进行模拟，选取平面框架中层边柱节点，梁长1 800 mm，柱高2 050 mm；梁截面尺寸为HN300×150×6.5×9，柱截面尺寸为HW250×250×9×14，梁侧加强板厚9 mm，梁、柱采用Q235B钢，柱加强板采用Q345B钢，采用考虑包辛格效应的三折线随动强化模型的钢材本构关系，如图1所示，其中σ，ε分别为钢材应力和应变,σy,εy,σu,εu分别为钢材的屈服强度、屈服应变、极限强度和极限应变,图2为节点细部构造图。图3为试验和有限元模拟滞回曲线对比，从图3可以看出：在弹塑性阶段，2条曲线基本重合；在加载后期，由于有限元未考虑钢材损伤累积，对焊缝没有精细化建模，未考虑焊缝残余应力和试件的加工缺陷以及安装的误差等，使两者有一定差异，但总体变化一致，模拟较为理想。图4展示2个试件最终破坏形态均是梁下翼缘侧板加强的末端钢材由于截面突变，出现明显的应力集中。因此，可用有限元软件模拟侧板加强型节点破坏形态。

图1 本构关系

图2 节点细部构造(单位:mm)

图3 试验与有限元加载点滞回曲线对比

图4 试件破坏形态

2 新型节点的有限元模拟

如图5所示，新型装配式梁翼缘侧板加强-狗骨式削弱节点试件(BASE试件)中柱截面尺寸为HW250×250×9×14，柱高取2 050 mm；梁截面尺寸为HN300×150×6.5×9，梁长取1 800 mm；端板厚度td=14 mm，水平梯形侧板的厚度取9 mm，竖侧板尺寸取110 mm×50 mm×9 mm。模型削弱处距梁端距离a=220 mm，削弱长度b=200 mm，削弱深度c=30 mm；BASE试件详细尺寸见图6；节点试件端板螺栓布置[15]如图7所示，有限元模型见图8，钢材的本构关系[16]同第1节。

图5 装配式梁翼缘侧板加强-狗骨式削弱节点(单位：mm)

图6 BASE试件节点局部尺寸(单位：mm)

图7 端板螺栓布置(单位：mm)

图8 BASE试件ABAQUS有限元模型

2.1 单调加载下节点的力学性能

边界条件：工字型柱底固接，柱顶铰接，并在柱顶施加一定大小竖向集中力。加载制度：采用单调加载和循环加载2种方式，试件上施加荷载的顺序为首先施加螺栓预紧力P=155 kN，再施加柱顶Z向荷载。循环加载以位移控制为主，初始位移幅值为屈服位移的20%，之后每级荷载增量为20%，直至达到屈服位移，在位移幅值达到屈服位移之前每级荷载循环1次；当位移幅值达到屈服位移时，加载位移按照1倍、2倍、3倍、4倍的屈服位移进行加载，每级加载循环3次。

由图9的荷载-位移曲线可知，节点经历了弹性、弹塑性和极限3个阶段，初始刚度为4.79 kN·mm-1，屈服位移为30.64 mm，屈服荷载为107.29 kN，极限位移为72.32 mm，极限荷载为122.29 kN。图10为节点达到极限承载能力时刻的应力云图，节点的塑性变形主要集中在削弱区。

图9 荷载-位移曲线

图10 节点Mises应力云图(单位:MPa)

2.2 节点在往复加载下的力学性能

图11为试件的滞回曲线和骨架曲线，曲线饱满，节点具有良好的耗能能力。骨架曲线呈S形，先升后降，且下降比较缓慢，计算得试件延性系数μ=3.13>3，BASE试件具有较好的延性和变形能力。

图11 BASE试件的滞回曲线和骨架曲线

本文中用割线刚度Ki来代表节点的等效刚度，其大小可以由式(1)来计算，即

(1)

式中：+Pi，-Pi分别为第i次正、负向峰值荷载；+Δi，-Δi分别为第i次正、负向最大位移。

强度退化系数λi+1计算公式如下

(2)

结合图12和图13可以看出，在加载2倍、3倍、4倍屈服位移时为塑性铰形成过程，节点刚度退化明显，但下降速率较缓，该节点一定程度上减缓了刚度退化。加载初期，退化系数稳定在1左右，在塑性铰形成阶段，节点强度下降最快。

图12 BASE试件的刚度退化曲线

图13 BASE试件的强度退化曲线

3 循坏加载下节点的变参性能

为了更好地了解该节点各参数的取值对节点性能的影响，主要研究端板厚度td、水平梯形加强侧板末端倾斜角度θ和削弱深度c对节点滞回性能的影响。其中梯形侧板的倾斜角度θ是通过改变图14中侧板斜边在梁长度方向的尺寸lt来实现，各系列试件尺寸见表1。

图14 梯形侧板局部尺寸(单位:mm)

表1 各试件参数

3.1 端板厚度的影响

由图15中DB系列试件的滞回曲线可知：除了DB-1试件外，其他试件的滞回曲线均比较饱满；试件的滞回环面积随着端板厚度的增加而增大，在合理取值范围内，端板厚度的变化可以改变试件的滞回性能，DB-1试件由于端板较薄，未能实现塑性铰外移，造成梁翼缘与端板焊缝连接脆性破坏。

图15 DB系列试件滞回曲线

表2为DB系列试件在滞回加载时的力学性能指标。图16为试件的骨架曲线。由表2、图16可知，屈服位移随着端板厚度的增加而减小，极限荷载先增加后减少，但改变的幅度不大。合理确定端板厚度可以在实现塑性铰外移的同时，提高节点的极限承载力。经骨架曲线计算的试件延性系数均大于3，节点具有良好的延性，整体延性系数随端板厚度呈增长状态。

图16 DB系列试件骨架曲线

表2 DB系列试件力学性能

图17为DB系列试件的刚度退化曲线，图18为DB系列试件的强度退化曲线。

图17 DB系列试件等效刚度退化曲线

图18 DB系列试件强度退化曲线

由图17，18可知，在加载的初期，各试件的刚度退化比较缓慢，强度退化系数也稳定在1附近，继续加载，在塑性铰形成阶段，刚度退化加快，刚度退化下降速率随端板厚度的增加而增大，强度退化系数随着端板厚度的增加出现先增加后降低的现象，合理的端板厚度可以减弱节点的强度退化。

3.2 梯形侧板末端倾斜角度的影响

TX系列试件的滞回曲线如图19所示，各试件的滞回曲线饱满，差异不大，具有良好的耗能能力，TX-2试件滞回环面积最大。

图19 TX系列试件滞回曲线

表3为TX系列试件在滞回加载时的力学性能指标，图20为试件的骨架曲线。由表3、图20可知：节点试件的屈服位移与侧板末端角度呈负相关，屈服荷载反之，但变化的幅度很小；试件的最大承载力随着侧板末端角度的减小逐渐降低。对比各试件的骨架曲线发现峰值荷载随着侧板末端角度的减小而减小，延性系数随着侧板末端角度的减小而先增加后降低，其有较大值。

表3 TX系列试件的力学性能

图20 TX系列试件骨架曲线

图21和图22分别为TX系列试件的等效刚度退化曲线和强度退化曲线。由图21，22可以看出，各曲线差异不大，说明侧板末端角度对节点刚度和强度退化影响较小。

图21 TX系列试件等效刚度退化曲线

图22 TX系列试件强度退化曲线

3.3 削弱深度的影响

C系列试件的滞回曲线见图23。由图23可知，除C-1试件塑性铰未在削弱区形成外，其余试件的滞回曲线均呈饱满的梭形，试件具有良好的耗能能力。

图23 C系列试件滞回曲线

C系列各试件的主要力学性能指标见表4，图24为试件的骨架曲线。节点的承载力随削弱深度的增加而减小，延性系数则相反，在保证节点承载力的同时提高其延性，削弱深度取值有其合理范围。

图24 C系列试件骨架曲线

表4 C系列各试件力学性能

图25为C系列试件在滞回加载时的刚度退化曲线，试件的刚度退化随削弱深度的增大逐渐加快。图26为C系列试件的强度退化系数，在梁端塑性铰形成阶段，强度退化较快。

图25 C系列试件刚度退化曲线

图26 C系列试件的强度退化曲线

4 结 语

(1)对BASE试件进行了单调加载和循环加载，结果表明：单调加载作用下节点的最大承载力为122.29 kN，节点破坏时在梁端形成了明显的塑性区域。循环荷载作用下节点的滞回曲线所围的面积较大，节点的延性系数达到了规范要求；破坏模式为梁端塑性铰破坏，缓解了刚度、强度退化速率。

(2)取合理的端板厚度、削弱区长度和侧板末端角度，均能实现塑性铰的外移，试件的破坏为延性破坏。

(3)端板厚度对节点的破坏模式有较大的影响。厚度过小，塑性铰无法在削弱区形成；端板过厚则会影响节点的屈服荷载和强度退化等指标，依照相关研究可知端板厚度取值不低于柱翼缘厚度，结合有限元模拟分析，建议端板厚度取tf≤td≤1.5tf(tf为柱翼缘厚度)。

(4)水平加强侧板末端角度的变化对节点试件的滞回性能有一定的影响，随着角度的减小，节点的耗能能力有所降低；考虑到倾斜角度过大会造成应力集中，结合lt的取值，建议倾斜角度的正切值取值范围为0.27≤tan(θ)≤0.59。

(5)削弱深度较大影响节点的力学性能，节点的延性系数和耗能能力与削弱深度的取值呈正相关，与节点的极限承载力呈负相关。因此削弱深度的取值应该综合考虑多方面因素，在承载力与耗能能力方面取得平衡。根据已有研究削弱深度与梁翼缘关系可知，削弱深度的建议取值为0.18bf≤c≤0.25bf(bf为梁翼缘宽度)。