铝合金H 型截面梁柱节点的耗能性能分析

2022-08-03朱熙

山西冶金 2022年3期

朱熙

（四川水利职业技术学院，四川成都 611231）

ABAQUS 有限元软件可以对构件的各项性能进行模拟，通过数值模拟，可以较好的反映出铝合金H型截面梁柱节点的耗能性能，有限元软件模拟，可避免不必要的客观因素的影响，不仅对资源的需求少，而且分析时间短、消耗的成本低，故可作为分析铝合金H 型截面梁柱节点的耗能性能的研究方法。

1 构件设计

分析研究H 型截面的铝合金梁柱节点的耗能性能的需要，本文共设计的4 个H 型截面尺寸大小见表1 所示，所有构件的柱长、梁长均相同；柱截面尺寸保持不变，只改变梁截面的宽度或高度中的一个参数，控制好因变量，便于耗能性能的分析。梁柱节点区域为本次研究的重点区区域，4 个构件的梁柱节点均采用细网格划分，以保证重点区域的网格高质量分布，从而提高有限元计算的精度，保证数值模拟的准确性。

表1 构件截面尺寸表

所有的有限元模型都尽可能的模拟铝合金H 型截面梁柱节点的真实情况，软件中的构件的加载模式、受力情况、约束条件等条件的设置均与构件实际情况一致，通过有限元软件真实的反映出构件在荷载作用下的节点的耗能性能。本文中，所有构件的计算模型均采用ABAQUS 有限元软件中的Standard 模块，该模块的计算结果与实际结果接近，较精准，可用于铝合金H 型截面梁柱节点耗能性能的分析。由于本文主要分析H 型截面的铝合金梁柱节点的耗能性能，所以在梁与柱的连接方式采用的是Tie，即绑定模式，以此代替实际中的焊接模式，这样不仅简化了有限元模型的计算量，同时节省了时间，提高了分析效率。为确保重点区域网格划分，保证节点区域的受力规律和破坏模式与实际相同。有限元的边界条件的设置严格按照实际的边界约束条件，以确保尽可能的模拟真实情况得到真实的耗能性能[1]。节点的耗能性能有助于分析结构在后期，受到地震作用后的结构的安全性。

2 滞回性能

通过对构件低周往复循环加载，得到滞回曲线，各构件的滞回曲线是反应耗能性能的一个重要指标，从有限元模拟的铝合金H 型截面梁柱节点模型有限元模拟的滞回曲线中可以看出：各构件的滞回曲线较饱满，呈现出梭型形状[2]，说明各构件都具有良好的塑性变形能力，节点的耗能性能较好，从图中，还可看到曲线的拉、压半环基本关于坐标轴的原点对称，说明构件在水平荷载作用下，受拉性能、受压的性能基本保持平衡，说明铝合金H 型截面梁柱节点的受力特性较好，在外围的几个滞回环，受压的承载力略低于受拉的承载力，说明在加载后期，梁柱节点发生破坏，构件的承载力下降。

通过提取铝合金H 型截面梁柱节点构件滞回曲线中每一个滞回环的正向和反向极限承载力，将这些极限承载力整合后可得到试件的骨架曲线，从骨架曲线可以直观的反映出拉压是否平衡。通过观察，可以发现，各试件的骨架曲线相似，起初构件在荷载作用下，保持较好的弹性性能，骨架曲线呈现出上升趋势，随着荷载的不断加大，逐渐达到屈服荷载，之后构件在循环往复作用下，骨架曲线呈现缓慢上升趋势，直到进入塑性阶段后，承载力保持稳定，骨架曲线呈现出平缓趋势，最后不在上升，极限承载力趋于稳定。

从有限元分析得到的骨架曲线中可以看到，4 个构件的骨架曲线相似，最开始在荷载作用下，构件保持弹性，处于弹性阶段；随着荷载的增大，进入强化阶段，最后到达屈服荷载后，构件在反复拉压下，骨架曲线上升缓慢，一直到塑性阶段后，承载力保持稳定，曲线变得平缓。增加梁高后的构件明显比未增加梁高的构件的承载力更高、拉压对称性的性能更好；增加梁宽后的构件的承载力也有较大的提升。

3 承载力

往复作用下，可得到各构件的承载力，通过有限元的后处理数据，可得铝合金H 型截面梁柱节点的正向和反向承载力。构件一、构件二、构件三、构件四的正向加载承载力分别为11.06 kN、11.98 kN、16.08 kN、22.68 kN；构件一、构件二、构件三、构件四的反向加载承载力分别为-10.96 kN、-12.28 kN、-16.73 kN、-21.75 kN；通过分析铝合金H 型截面梁柱节点构件的承载能力结果，可得到结论：H 型截面的全焊接梁柱节点的承载力，随着梁高的不断增大，构件的极限承载力也随之增大。

4 耗能性能

为更好地分析节点的耗能性能，本文采用《建筑抗震试验规程》（JGJ/T 101—2015）[3]推荐的耗能系数：以滞回环的面积和弹性应变能作为评价构件耗能性能的主要参数。通过规范中的耗能系数公式，可以计算出铝合金H 型截面梁柱节点构件的滞回环面积和弹性应变能，在各滞回环下构件的滞回环面积和弹性应变能以及能量耗能系数如表2、表3。分析表中数据可得到，各构件的有限元计算的能量耗散系数相差不大[4]。这也可以表明，铝合金H 型截面梁柱节点具有良好的耗能性能，均能满足铝合金梁柱节点的设计要求。从经济方面考虑，H 型截面耗材少，是首选的截面类型。

分析表2 和表3 中数据，可以得出的结论：本文所建立的4 个铝合金H 型截面梁柱节点的构件模型；通过分析滞回环面积和弹性应变能这两项参数，可得到结论：各节点的耗能性能较好，能达到规范的设计要求。通过分析表格中耗能系数的数据，得到本次4 个构件的耗能性能较好；故当遇到地震时，铝合金H 型截面梁柱节点自身可以消耗掉大部分的能量，以保证结构安全，避免重大事故。