低周反复加载作用下工业货架梁柱节点性能退化的数值分析

黄晨宇　李陈民军　黄曦　吴梦　吕志军

摘要：  为评估在地震等强冲击载荷作用下工业货架横梁与立柱挂齿式连接梁柱节点的性能退化情况，基于低周反复加载试验，建立钢结构货架梁柱节点恢复力仿真模型，以滞回耗能能力和延性系數为指标，对梁柱节点的退化性能进行数值分析。结果表明，连接形式对节点的抗震性能影响最为明显，其次是挂片焊接位置、厚度和安装间隙。

关键词：  钢结构; 货架; 梁柱节点; 性能退化; 节点参数

中图分类号：  TU392.1文献标志码：  B

Numerical analysis of performance degradation of

industrial rack beam-column joint

under low-cycle reversed loading

HUANG ChenyuLI Chenminjun HUANG Xi WU Meng LYU Zhijun

（1. School of Mechanical Engineering， Donghua University， Shanghai 201620， China;

2. Shanghai Jingxing Storage Equipment Engineering Co.， Ltd.， Shanghai 201611， China;

3. Shanghai Aircraft Manufacturing Co.， Ltd.， Shanghai 200443， China）

Abstract： To evaluate the performance degradation of hanging-tooth connection beam-column joints between the cross beam and column of the industrial rack under strong impact load such as earthquake， the restoring force simulation model of steel rack beam-column joints is established based on the low cycle reversed loading test. The hysteretic energy dissipation capacity and ductility coefficient are taken as indexes， and then the degradation behavior of beam-column joints is numerically analyzed. The results show that the connection type has the most obvious influence on the seismic performance of the joint， and the second one is the hanging piece welding position， thickness and installation clearance.

Key words： steel structure; rack; beam-column joint; performance degradation; joint parameter

基金项目：  上海市工程技术研究中心能力提升计划（17DZ2283800）

作者简介： 黄晨宇（1997—），男，壮族，广西南宁人，硕士研究生，研究方向为物流仓储设备的有限元分析，（E-mail）934460163@qq.com0引言

与传统钢结构建筑相比，冷弯型薄壁钢工业货架的载重大多来自托盘货载，其主要承重构件立柱多为开孔薄壁截面。冷弯型钢材屈服点较高，但延性较差，其梁柱节点多为半刚性挂齿式机械连接，滞回特征表现为强非线性和捏拢滑移特性[1-2]。工业货架通常在沿巷道方向为无辅助支撑设计以方便货物存取，因而其稳定性主要取决于横梁与立柱挂齿式连接的梁柱节点，冷作硬化效应虽然可以提高薄壁型钢材的屈服点，但降低其延展性。梁柱节点是货架结构中的关键构件，在地震等强冲击过程中，梁柱节点常发生脆性断裂或性能退化，可能引发货架连续性垮塌，即货架整体结构的破坏多由梁柱节点的脆性断裂或性能退化导致[3]，其抗震性能和性能退化后的安全性至关重要。

国内外针对薄壁钢梁柱节点抗震性能的研究较多。CLAUDIO等[4]采用非线性时间历程分析和低周疲劳损伤方法重现梁柱节点的循环行为，研究其损伤分布和震后的有效承载能力。YIN等[5]采用悬臂梁试验方法对带有附加螺栓的新型梁柱节点进行反复加载试验，考察其失效模式、承载能力和耗能能力。戴明明等[6]对4种冷弯薄壁C形钢桁架梁柱节点进行低周反复加载试验，分析其节点的滞回特性、承载能力等，并对比不同类型节点的耗能能力。

由于薄壁钢货架的设计和制造缺乏尺寸和形式的统一标准，不同厂家生产的薄壁钢结构构件型号繁多、节点连接形式多样，各种组合形式下的梁柱节点抗震性能各异，难以对每种节点逐一进行分析评估。因此，本文选取挂片厚度、挂片间隙、连接形式、摩擦因数等参数，通过控制单一变量，分析各参数改变对节点抗震性能的影响，进而研究不同类型梁柱节点抗震性能的优劣。

1梁柱节点低周反复加载试验

梁柱节点是钢结构货架的重要组成部分，其主要功能是将立柱与横梁连接为一体，其抗震性能对货架整体结构动态性能有很大影响。梁柱节点的主要部件包括立柱、挂片和横梁等，具体结构见图1。采用悬臂梁试验平台进行低周反复加载试验并获取滞回特征曲线，是梁柱节点抗震性能研究的基础[7]。

1.1试验过程

试验装置、测试现场分别见图2（a）和2（b），加载点到立柱翼缘表面的距离为400 mm[8]。首先加载装置预先对横梁施加载荷（该预载荷为预期失效載荷的10%），再卸载;然后负载逐渐增加，直到失效;最后利用数据采集卡记录位移传感器和压力传感器测得的数据，通过计算机处理，生成M-θ曲线。

1.2误差修正

受加工精度的影响，样件装配时挂片与立柱间的配合可能出现误差，悬臂梁一端会因重力而发生下沉，见图2（c）。经测算，M100系列梁柱节点样件下沉约12 mm，M120系列样件下沉约3 mm。数据处理时，将试验1和2负向加载的位移数据分别减少12和3 mm，以减少横梁下沉带来的误差。

2仿真模型及其性能退化指标

因为试验过程较复杂，且考虑到测试成本和计算精度，所以建立梁柱节点恢复力仿真模型进行分析。根据企业图纸，建立M120和M100型号立柱、B80和B100型号横梁以及三爪挂片的三维模型，并将其导入Ansys Workbench中进行有限元分析。

2.1有限元仿真模型建立

梁柱节点组合中各构件的材料参考《钢结构设计标准》[9]设置，材料均为Q235钢，其弹性模量E=2×10¹¹Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m³，屈服强度为235 MPa。

横梁与挂片间为焊接，设置为绑定接触。挂片与3个铆钉之间为绑定，挂片2个内表面与立柱侧面，以及铆钉与立柱孔之间均为摩擦接触，其接触行为为完全对称接触，接触方程使用罚刚度法[10]。

梁上、下两端的加载板采用四边形主导法进行网格划分，模型整体采用自适应网格划分。四面体和面的最大尺寸设置为5 mm，最小尺寸设置为1 mm。使用偏斜度检查网格质量，大多数六面体单元的偏度值在0～0.13，几乎所有三角形和四面体单元的偏度值都小于0.50，说明网格质量较好。

立柱的上、下端设置为固定;横梁在套筒及挂片焊接的约束下只可以上下摆动，因此约束横梁Z方向的自由度。作用力参照ANSI MH16.1[11]进行设置，加载点与立柱翼缘表面之间的距离为400 mm，样件载荷为每级1 000 N，屈服前循环2次;屈服后循环1次，具体情况见图3。

2.2失效模式与滞回曲线

在低周反复加载下，梁柱节点受力变形情况见图4。观察横梁应力与应变发现，3个铆钉之间会相互限制转动自由度，因此未发生明显的铆钉沿立柱孔轴线方向的转动，铆钉外壁与立柱孔内壁之间切线方向相互作用力较小，法向作用力较大。在横梁下压过程中，挂片上侧与立柱侧壁分离，下侧与立柱侧壁贴合并传递力，3个铆钉对立柱孔的挤压力方向不同，中间孔所受挤压力较小，上下孔所受的挤压力方向相反;当横梁上抬时，情况相反。

反复加载下横梁的滞回曲线见图5。该滞回曲线较为饱满，且可以显示出捏拢滑移特性，符合钢结构梁柱节点的滞回特征。

2.3仿真模型验证

对比梁柱节点仿真分析结果与物理试验结果，二者破坏形式大致相同。在循环载荷作用下，立柱孔洞因铆钉的拉压作用而变形，挂片也出现明显变形（见图6）。提取试验和仿真滞回曲线中每个滞回环的顶点，形成骨架曲线，见图7。对比发现，试验结果与仿真结果的骨架曲线基本一致。在循环加载的最后部分，个别点的差异较大，原因可能是在试验中梁柱节点中的铆钉因受力过大发生松动，仿真中铆钉只会变形，不会因过度张力与挂片分离。

2.4梁柱节点能退化指标

滞回曲线又名复力曲线，常用于描述低周反复作用力下载荷与变形之间的非线性映射关系，其中滞回曲线面积代表在循环加载过程中构件消耗的能量，即滞回耗能能力。

位移延性系数通常定义为极限位移与屈服位移之比，可以采用等能量法通过骨架曲线计算屈服位移Xy，结构的极限位移Xu取载荷下降至极限载荷85%时的位移，当骨架曲线无明显下降段时可取极限载荷所对应的位移作为极限位移，即μ=Xu/Xy                （1）3节点参数对性能退化的影响

梁柱节点组合形式众多，难以对所有组合都详尽分析，因此采用单一变量的方式，选取可能影响梁柱节点抗震性能的典型参数（如挂片厚度、装配间隙、横梁焊接位置和有无螺栓等，具体见表1），研究每个参数对节点抗震性能的影响。表 1梁柱节点参数设置模型序号挂片厚度/mm间隙/mm横梁焊接位置/mm有无螺栓摩擦因数A-1（标准）4132（上部）无0.15A-25132（上部）无0.15A-36132（上部）无0.15B-1（标准）4132（上部）无0.15B-24232（上部）无0.15C-1（标准）4132（上部）无0.15C-24148（中部）无0.15C-34164（下部）无0.15D-1（标准）4132（上部）无0.15D-24132（上部）有0.15E-1（标准）4132（上部）无0.15E-24132（上部）无0.3E-34132（上部）无无摩擦E-44132（上部）无绑定

3.1滞回耗能能力对比

提取滞回曲线最后一环，利用Origin软件计算曲线面积，即为耗能能力，结果见表2。差值率为对比标准件增减量的百分比，可以表示参数改变所带来的影响。根据表2中A组模型数据可知，挂片厚度为4和5 mm的情况下，耗散能力增幅不大，但6 mm厚度下节点耗能能力明显提升;根据B组模型数据可知，安装间隙增加至2 mm时，其耗散能力明显增强;由C组模型数据可知，相对于挂片焊接位置，横梁位于中部时耗能能力最强，位于上部时最弱;由D组模型数据可知，与无螺栓的节点相比，有螺栓的节点耗能能力增大5倍;由E组模型数据可知，摩擦因数对节点耗能能力影响不大，不同摩擦因数下差值率在5%以内。

综上可知，有无螺栓对耗散能力影响最大，其次是焊接位置、挂片厚度和间隙，影响最小的是摩擦因数。

3.2位移延性系数对比

根据式（1）计算可得各个节点的位移延性系数，见表2。分析A组模型数据可知，节点延性系数随挂片厚度的增加而增大，但挂片厚度增加至6 mm时，延性系数的变化相比耗散能力变化不明显;由B组模型数据发现，当间隙增加至2 mm时，延性系数增加幅度很小;由C组模型数据可知，挂片焊接位于中部时延性系数最大，上部时最小;由D组模型数据可知，有、无螺栓对延性系数影响很大;由E组模型数据可知，不同的摩擦因数对延性系数影响很小。

综上可知，有、无螺栓对节点延性系数影响仍为最大，其次是焊接位置、挂片厚度和间隙，影响最小的参数仍为摩擦因数。

3.3评价指标的敏感性

根据表2，对比滞回耗能能力与延性系数的差值率发现，二者中各节点参数的变化趋势均相同，除模型A-2外，滞回耗能能力的差值率均比延性系数的差值率高，说明滞回耗能能力对梁柱节点各项参数的改变更为敏感，意味着其在各节点参数下的抗震评价最为保守，可作为抗震性能评价的主要指标。表 2评价指标数值参数类型模型序号耗能能力/（N·mm）耗能能力差值率/%延性系数延性系数差值率/%挂片厚度A-1（标准）178 7041.92A-2185 944  4.052.088.33A-3478 528167.782.119.90间隙B-1（标准）178 7041.92B-2267 041 49.431.951.56挂片焊接位置C-1（标准）178 7041.92C-2573 444220.892.014.69C-3373 654109.091.882.08螺栓D-1（标准）178 7041.92D-21 075 088501.602.4125.52摩擦因数E-1（标准）178 7041.92E-2180 3920.941.930.52E-3176 369-2.231.941.04

4结论

以低周反复加载试验为基础，基于Ansys Workbench建立梁柱节点恢复力仿真模型进行数值分析，得到梁柱节点的失效模式和滞回曲线，通过物理试验验证其准确性，结论如下。

（1）选取耗散能力和位移延性系数作为对梁柱节点退化性能评估的综合指标。相较于位移延性系数，滞回耗能能力对梁柱节点各个参数的变化更加敏感，因此建议将滞回耗能能力作为梁柱节点抗震性能的主要指标。

（2）就梁柱节点参数而言，螺栓式梁柱节点可显著改善节点的退化和损伤性能，其耗能能力比普通铆钉式节点增大5倍以上，挂片的厚度与焊接位置以及安装间隙对不同指标均有不同程度的影响，而螺栓与立柱孔间的摩擦接触影响极小。因此，在高层、大跨度钢结构货架的仿真中可采用简单的接触方式替代摩擦接触，以节约计算成本。参考文献：

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[3]董立婷. 延性钢框架在低周反复荷载作用下损伤退化滞回性能分析[D]. 青岛： 青岛理工大学， 2013.

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[8]The design of static steel pallet racking： FEM10.2.02[S].

[9]鋼结构设计标准： GB 50017—2017[S]. 北京： 中国建筑工业出版社， 2017.

[10]LEE H H. Finite element simulations with Ansys Workbench 18[M]. Mission： SDC publications， 2018.

[11]Specification for the design， testing and utilization of industrial steel storage racks： ANSI MH16.1：2012[S].（编辑武晓英）