碳纤维增强复合材料增强钢框架肋板的节点滞回性能分析*

王 璐，菅凤侠

（西安工商学院，陕西西安 710119）

经济发展水平的不断提升促使人们对建筑形式、空间、质量等多方面的要求逐渐增多，在21世纪，我国总建筑量创历史新高［1-3］。回顾2008年的汶川地震可知，建筑倒塌在造成巨大经济损失的同时，还会危及人们的生命。碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP）作为一种高强材料［4］，能够使各类材料的优势得以充分发挥。CFRP的强度为普通钢材的10倍，密度仅占其20%，具有非常稳定的化学性质，且不会出现疲劳，因此使用CFRP增强钢框架肋板，通过CFRP理想的抗拉强度与延性对钢框架肋板结构的变形进行有效控制，从而提高其承载力、抗腐蚀性能。本文通过建立有限元模型分析钢框架肋板的节点滞回性能，验证了碳纤维增强复合材料的增强效果。

1 材料与方法

1.1 实验材料

选择Q345钢材料制作钢框架肋板试件，钢梁规格为 ，截面规格为 。使试件顶端承受0.5倍轴压力，试件顶端与底端均采用固接形式，顶端约束中心线与底端约束中心线之间的距离为1500mm。该试件使用循环加载，加载点到钢框架翼缘表面的距离为1600mm。利用厚度为6mm的钢板进行节点域补强，运用载荷及位移分别对试件屈服前和屈服后的加载进行控制［5-6］。碳纤维增强复合材料包含质量轻、疲劳性能以及减震性能好等优势，因此将其用于增强钢框架肋板，通过分析节点滞回性能，验证钢框架肋板增强效果。根据钢框架肋板轴线方向，在具有较大应力的翼缘表面粘贴CFRP［7-8］。

1.2 有限元模型建立

1.2.1 设置约束与边界条件

假设碳纤维增强复合材料的材层之间，以及和钢框架肋板之间能很好地粘结，可通过Tie约束完成［9］；为达到内层单元变化，外层单元可随之协调变形的特征，应选择钢框架肋板作为主要表面，CFRP内表面作为从属表面。设定固定铰接约束于弦杆两侧，使竖向位移加载作用于弦杆自由端，在模拟过程中对弦杆进行限制，另外五个自由度仅形成轴向位移［10-12］，即设置边界条件的方法。

1.2.2 节点连接

运用刚性形式连接梁柱节点以及焊接形式连接钢梁与支撑节点。钢框架肋板的节点连接方式有两种：一种为A-1型，即通过梁段与梁柱直接连接；另外一种是A-2型，通过加肋板方法对梁柱节点进行增强。

1.2.3 模型建立

为有效分析碳纤维增强复合材料增强钢框架肋板的节点滞回性能，从几何非线性角度出发，将Mises屈服原则作为基础，使用三维实体单元建立有限元模型［13］。

1.3 刚度退化特性

运用割线刚度描述钢框架肋板的刚度以验证CFRP增强前后的节点刚度退化状况。将循环荷载作用于节点时，每次循环均会产生正向与负向的竖直反力，连接两个力，所得直线的斜率为割线刚度［14-15］，其计算过程用公式（1）描述：

式（1）内，对于第i个位移水平，割线刚度用Kei描述；正向竖直反力用+Pi描述；负向竖直反力用-Pi描述；正向位移用+ui描述；负向位移用-ui描述。

2 结果分析

2.1 循环加载方式下梁段的载荷-转角滞回曲线

通过ANSYS软件对循环加载方式下钢框架肋板的节点滞回性能进行计算，A-1型与A-2型梁段的载荷-转角滞回曲线用图1描述。

图1 A-1型与A-2型梁段的载荷-转角滞回曲线Fig.1 Load angle hysteretic curves of A-1 and A-2 beam sections

由图1可得，A-1型与A-2型梁段的载荷-转角滞回曲线均呈矩形分布，但相对于A-2型，A-1型的滞回曲线稍有捏拢，A-2型则饱满均匀，变化稳定，不存在捏拢现象；当处于极限状态时，A-1型梁段的转角比A-2型梁段的转角小。由此可知，使用A-2型钢框架肋板节点连接方式，能使钢柱对钢梁的局部变形限制减弱，增大梁段转动，提高钢框架肋板延性及耗能效果。

2.2 循环加载方式下的水平力-侧移滞回曲线

A-1型与A-2型的水平力-侧移滞回曲线以及骨架曲线，用图2描述。分析图2可得，A-1型与A-2型的水平力-侧移滞回曲线均呈椭圆形分布，且饱满稳定，不存在捏拢现象；两者的水平力都随着侧移增加而升高，当侧移小于-10mm和大于10mm时，两者的水平力上升速率缓慢，当侧移在-10mm至10mm之间时，两者的水平力呈快速上升趋势；A-2型的水平力始终高于A-1型的水平力。对比这些数据可以表明，使用A-2型钢框架肋板节点连接方式，能获得更好的钢框架肋板承载能力。

2.3 CFRP增强钢框架肋板前后的刚度退化曲线

每个阶段的刚度用K表示，初始刚度用k0表示，屈服位移用Δy表示；水平位移用Δ表示。CFRP增强钢框架肋板前后的刚度退化曲线如图3所示。由图3可得，CFRP增强前后的刚度在钢框架屈服前基本不发生改变，且数值相同；当梁段产生屈服后，CFRP增强前后的刚度均产生退化现象，在循环次数不断增加的情况下，刚度退化速率逐渐衰弱；CFRP增强后的刚度始终高于CFRP增强前的刚度；相对于CFRP增强前的刚度曲线，增强后的刚度曲线较为平缓。经验证表明，使用CFRP增强钢框架肋板可获得较优异的变形性能及抗侧移性能。

图3 CFRP增强钢框架肋板前后的刚度退化曲线Fig.3 Stiffness degradation curve of CFRP reinforced steel frame before and after rib plate

2.4 CFRP铺层方式对钢框架肋板的节点滞回性能测试

使用CFRP增强钢框架肋板时，设置4种不同铺层角度的CFRP铺层方式，铺层层数均为2，铺层长度为3倍的弦杆直径，铺层方式有五种，方式0即不使用CFRP，方式1的CFRP方向和轴线夹角为0/0，方式2的CFRP方向和轴线夹角为0/90，方式3的CFRP方向和轴线夹角为90/90，方式4的CFRP方向和轴线夹角为45/135。不同铺层方式下，钢框架肋板的节点滞回曲线用图4描述。

图4 不同铺层方式下的钢框架肋板的节点滞回曲线Fig.4 Hysteretic curves of steel frame rib joints with different ply patterns

分析图4可得，碳纤维增强复合材料铺层方式对钢框架肋板的节点滞回性能影响较大，铺层方式1与铺层方式2的滞回环面积较大，铺层方式4的滞回环面积最小。因此可以说明，使用CFRP增强钢框架肋板时，选择铺层方式1或铺层方式2能极大地提升钢框架肋板整体性能，CFRP增强效果最佳。

3 结论

（1）使用A-2型钢框架肋板节点连接方式，能使钢柱对钢梁的局部变形限制减弱，增大梁段转动，提高钢框架肋板延性及耗能效果，并且能获得更好的钢框架肋板承载能力。

（2）使用CFRP增强钢框架肋板可获得较优异的变形性能及抗侧移性能。

（3）当CFRP铺层角度呈0/90度或90/90度时，能极大地提升钢框架肋板整体性能，CFRP效果最佳。