改进的H型钢梁柱刚性节点抗震性能研究

邱 昊，董锦坤，王 静，陈章伟

改进的H型钢梁柱刚性节点抗震性能研究

邱 昊1，董锦坤1，王 静2，陈章伟1

（1.辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121000；2.浙江建设职业技术学院建筑工程学院，浙江 杭州 310000）

利用大型有限元软件ABAQUS及有限元分析方法，以改进的H型钢梁柱刚性节点为研究对象，建立了试件模型，通过骨架曲线、延性系数、耗能系数研究了腹板拼接板厚度、翼缘拼接板厚度和翼缘拼接板长度在低周反复循环加载条件下对节点抗震性能的影响。结果表明，合理的参数取值不仅可以使节点拥有良好承载能力，而且有助于提高节点的延性以及耗能能力。

有限元；H型钢梁柱；腹板拼接板；翼缘拼接板

为改善钢梁柱刚性节点抗震性能，实现“强节点弱构件”设计理念，一般采用削弱梁构件和加强梁柱连接节点2种方式。“装配式节点”作为一种新住宅产业化技术，不仅可以提高施工效率和安全性，而且还能降低运输成本，是未来钢结构的必然趋势。本文通过在梁柱连接处翼缘增加焊接梁腋加强节点抗震性能，并与装配式节点相结合，提出了一种改进的H型钢梁柱刚性节点。本文以改进的H型钢梁柱刚性节点为研究对象，运用等强度设计法进行设计，通过变化腹板拼接板厚度1、翼缘拼接板厚度2和翼缘拼接板长度13个参数共3个系列11个试件，研究这3个参数对改进的H型钢梁柱刚性节点抗震性能的影响并得出试件参数的合理取值范围。

1 有限元模型

结合《建筑抗震设计规范》[1]和《高层民用建筑钢结构技术规程》[2]相关要求并参照文献[3]确定了试件尺寸：梁柱均采用H型钢，H型钢柱截面尺寸采用H400×400×13×21，H型钢梁截面尺寸采用H600×200×10×14，柱高3 m，梁长6 m，取1/3梁跨度进行研究。H型钢梁柱、翼缘及腹板拼接板、上下腋板、加筋肋均采用Q235B，=215 N/mm2，翼缘与腹板拼接所用螺栓采用10.9级M24高强螺栓，预拉力=225 kN，摩擦系数为0.45。拼接处用等强度设计法设计，试件几何尺寸如图1所示。

图1 试件的尺寸

定义参数：腹板拼接板厚度1、翼缘拼接板厚度2和翼缘拼接板长度1。试件参数如表1所示，BASE为未改变参数试件，WPT、FPT、FPL系列试件为变参数试件。

表1 试件参数 mm

通过ABAQUS创建试件模型的步骤[4]，最终创建的模型如图2所示。

图2 有限元模型

2 加载方式

本文有限元分析的加载制度采用位移控制，以位移为变量，对地震波进行模拟[5]。以变幅值位移控制方式对加载制度进行设计，通常每一级位移幅值循环1～3次。节点总转角==/，其中为梁端位移，为梁长。如图3所示，本文设定位移幅值最大为90 mm，=0.06 rad，满足规定抗震设计时大地震限值0.05 rad要求。加载的位移幅值以及循环次数如图3所示。

图3 加载方式

3 结果分析

通过对WPT、FPT、FPL系列试件提取的骨架曲线、延性系数、耗能系数等进行分析，来讨论3个参数对节点抗震性能的影响。

3.1 骨架曲线

对WPT、FPT、FPL系列试件的软件计算结果整理分析，取相应时段承载力最大值，将计算结果归纳在位移荷载曲线上形成骨架曲线，详见图4。

图4 骨架曲线

由图4可知，WPT、FPT、FPL系列试件屈服前呈线性关系，屈服后明显呈非线性关系，线型基本一致。由计算数据可以得出以下结果：WPT系列试件极限承载力大小关系为WPT-4>WPT-2> WPT-3>BASE>WPT-1，WPT-2～WPT-4分别比BASE试件极限承载力提高了2.12%、1.03%、5.73%；FPT系列试件极限承载力大小关系为FPT-4>FPT-2> FPT-3>BASE>FPT-1，FPT-2～FPT-4分别比BASE试件极限承载力提高了1.06%、0.04%、1.76%；FPL系列试件极限承载力大小关系为FPL-3>FPL-2> BASE>FPL-1，FPL-2和FPL-3分别比BASE试件极限承载力提高了1.74%、3.50%。由此可知，3个参数取值的增大对试件承载能力有利。

3.2 延性系数

表2为WPT、FPT、FPL系列试件的延性系数。

表2 延性系数

由表2所示，BASE的延性系数为3.66，通过分析以上数据可以看出，WPT系列试件延性系数的变化区间为3.64～4.06，其中性能最好的为WPT-3，最差为WPT-4；FPL系列试件模型延性系数的变化区间为3.66～3.80，其中性能最好的为FPL-3，最差为BASE试件；FPT系列试件延性系数的变化区间为3.64～3.90，其中性能最好的为FPT-3，最差为BASE试件。由以上结果可知，延性系数并非按照3个参数变化趋势而变化，WPT-3、FPL-3、FPT-3试件在所在试件组中最好，所以应当合理地选择以确保试件拥有很好的延性。

3.3 耗能系数

表3为WPT、FPT、FPL系列试件的耗能系数。

表3 耗能系数

由表3可知，WPT系列试件的耗能系数变化区间在0.396～0.418，WPT-4的耗能系数最高为0.418，BASE的耗能系数次之为0.409，而WPT-2的耗能系数最低为0.396；FPT系列试件的耗能系数变化区间在0.379～0.419，FPT-4的耗能系数最高为0.419，而FPT-1的耗能系数最低为0.379；FPL系列试件的耗能系数变化区间在0.378～0.416，FPL-3的耗能系数最高为0.416，而FPL-1的耗能系数最低为0.378。耗能系数越大则试件抗震性能越好，WPT-4、FPL-3、FPT-3在所在试件组中最好，所以应当合理选择以确保模型拥有良好的耗能能力。

4 结论

对有限元软件ABAQUS计算结果进行整理，归纳并计算出各试件的骨架曲线、延性系数、耗能系数，并对这些抗震性能指标进行分析可以得到如下结论。

(1)改变1对试件抗震指标有很大影响，综合各项抗震指标，WPT-2和WPT-3的性能相差不大，延性性能明显强于其他试件，所以建议此类节点1宜取14～16 mm。

(2)改变2的FPT系列试件中FPT-4的耗能性能和承载能力最好，而FPT-3的延性系数更高。因此，2宜设置在16～18 mm。

(3)改变1的FPL系列试件中FPL-3性能更好，承载能力、延性系数、耗能系数都强于同组其他试件，所以1应设置在590 mm左右。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB 50011—2010.建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2010.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ 99—2015. 高层民用建筑钢结构技术规程[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2015.

[3] 魏丽. 一种新型梁柱装配式刚性节点力学性能研究[D].青岛: 青岛理工大学, 2013

[4] 郁有升, 张孝栋, 于志军. “互”形装配式节点受力性能的有限元研究[J]. 建筑钢结构进展, 2018, 20(4): 58-66, 74.

[5] 柴琦琛. 新型装配式带悬臂梁段拼接节点性能研究[D].西安: 西安建筑科技大学, 2018.

Research on Seismic Performance of Improved H-beam Column Rigid Joint

QIU hao1, DONG Jin-kun1, WANG Jing2, CHEN Zhang-wei1

（1.School of Civil and Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou, 121001, China 2.School of Architectural Engineering, Zhejiang College of Construction, Hangzhou, 310000, China）

In this paper, the large-scale finite element software ABAQUS and finite element analysis method are used to establish the specimen model of the improved H-steel beam column rigid joint. Through the skeleton curve, ductility coefficient and energy dissipation coefficient, the influence of the thickness of web splice plate, flange splice plate and flange splice plate length on the seismic performance of the joint under low cycle cyclic loading is studied. The results show that reasonable parameter values can not only make the joint have good bearing capacity, but also help to improve the ductility and energy dissipation capacity of the joint.

finite element; H-beam column; web splice plate; flange splice plate

10.15916/j.issn1674-3261.2021.05.016

TU391

A

1674-3261(2021)05-0347-04

2020-12-17

辽宁省高校基本科研项目(JFL201715402)

邱 昊(1997-)，男，黑龙江黑河人，硕士生。

董锦坤(1969-)，男，辽宁凌海人，教授，博士。

责任编辑：孙 林