钢框架侧板扩翼式节点力学性能有限元分析*

2020-12-02李成华郝万方高亚琳

西安工业大学学报 2020年5期

李成华，郝万方，高亚琳，甘泉

(西安工业大学建筑工程学院，西安 710021)

美国北岭地震和日本阪神地震导致了钢框架结构大面积的连续倒塌破坏，研究发现是梁柱连接处出现了大量的脆性破坏而丧失了承载力，导致了连续倒塌的发生。侧板扩翼式节点因能改善节点延性，防止发生脆性破坏，提高抗连续倒塌能力而越来越受到关注[1-4]。文献[3]通过有限元建模对钢框架弱轴梁端翼缘侧板加强式节点滞回性能进行分析，得到了弱轴梁端翼缘侧板加强式节点变形规律。文献[4]通过循环荷载试验对腹板双角钢梁柱连接进行研究，得到了梁柱连接处力学特性。为了明确侧板扩翼式节点的力学性能，文中通过有限元软件进行数值计算，进行侧板扩翼式节点在低周循环荷载下力学性能的研究。

1 有限元建模

试件梁柱选用Q235B热轧H型钢，柱截面为HW250 mm×250 mm×9 mm×14 mm，梁截面HN300 mm×150 mm×6.5 mm×9 mm[5]，如图1所示。侧板扩翼式节点试件的侧板长度为chb，系数c=1/2～3/4，hb为梁的高度，加强侧板末端宽度为(2tf+6)，tf为梁翼缘板厚度，将梁位于腹板端头上下角按规定切割成扇形缺口。节点构造如图1所示。试件截面参数见表1。CBK为侧板扩翼式节点，PT为普通型节点。

基于ANSYS软件的非线性分析模块，根据KINH多线性随动强化模型制作了有限元模型，有限元模型如图2所示。

在施加约束时，将固定约束施加在柱上下端，两端断面的所有节点均发生绕Y方向的转动[6]，模型采用与试验相同的加载方式，通过位移控制载荷，对梁端部施加变幅位移载荷，采用层间位移角控制加载，并用连接部梁端转角θb来代替层间位移角θc，加载方式如图3所示。

图3 加载方式Fig.3 Loading mode

2 性能对比分析

建立的有限元模型的尺寸、荷载和边界条件与试验完全相同，因此可以把有限元模拟结果和试验结果进行对比分析，分别从形态和力态两个角度验证模型，结果如图4所示，试件承载力和位移值见表2～3。通过对比图4、表2和表3可知，有限元结果与试验结果在形态和力态上均较吻合，试件承载力和试件位移值的误差在5%左右。导致这种误差结果的原因主要是有限元模拟时模型给定参数比现实试验参数更加理想化。

图4 有限元结果与试验结果对比Fig.4 The finite element results were compared with the experimental results

表2 试件承载力Tab.2 Bearing capacity of specimen

表3 试件位移值Tab.3 Displacement of specimen

2.1 滞回曲线结果对比

采用考虑到包辛格效应的KINH多线性随动强化模型模拟低周往复加载[7]，可得侧板扩翼式节点的滞回曲线和普通型节点的滞回曲线，如图5所示。F为承载力，D为位移。

图5 滞回曲线结果对比Fig.5 Comparison of hysteretic curve results

可以看出有限元模型与试验结果的滞回曲线较吻合，从而说明有限元模拟与实验较为符合。同时也能看出侧板扩翼式节点的滞回曲线比普通型节点的滞回曲线更加饱满，且呈现梭形，表明耗能能力更强，延性和抗震性能更好。

2.2 骨架曲线结果对比

骨架曲线反映了构件承载力与变形之间的关系[8]，可得侧板扩翼式节点的骨架曲线和普通型节点的骨架曲线如图6所示。

图6 骨架曲线结果对比Fig.6 Comparison of skeleton curve results

从骨架曲线结果可以看出，有限元结果和试验结果较为一致，意味着有限元模拟很好地反应了试验过程。从侧板扩翼型节点的骨架曲线可以看出其节点的极限承载力明显高于普通型节点，且具有较好的塑性变形能力，使塑性铰发生的位置外移远离梁柱连接处。

2.3 延性系数

延性是判断结构件抗震性能的重要指标，指结构本身能维持荷载的能力，在具有较大的塑性变形时承载力并未有明显下降的能力[9]。对比表4中延性系数有限元结果和试验结果，两者较为接近，屈服位移和极限位移误差较小，侧板扩翼式节点的延性系数比普通型节点偏大，侧板扩翼式节点的延性、承载性能和变形能力优于普通型节点，为悬链线效应的发挥提供了保证。