钢结构平面偏心框架力学性能分析

2022-09-27许育文

大众标准化 2022年18期

赵丹，许育文

（1.杭萧钢构有限公司海南分公司，海南儋州 578101；2.东华理工大学土木与建筑工程学院，江西南昌 330013）

地震作为一种突发性的自然灾害，严重影响着工程结构的安全性。因此，隔震减震成为了工程中的重要研究方向。钢结构建筑是当今应用广泛的结构建筑，其中梁柱节点是钢结构建筑体系中重要的结构构件之一。为此，提高钢结构建筑的抗震性能是结构研究的重要课题。在传统的节点设计中，大多采用纯焊接为代表的刚性节点。在1994年美国Northridge地震和1995年日本Kobe地震中，传统钢结构建筑的梁柱连接节点发生了脆性破坏，结果表明其并没有发挥通过构件塑性变形来吸收地震能量的作用。焊接形式的不同不仅会影响焊接的质量，还会影响制作成本和结构性能。此后，对钢结构梁柱连接节点的研究广泛展开。

为了使梁板柱便于安装，有些建筑结构中会使梁向外平移，从而导致框架中梁柱轴线不重合，即形成偏心节点，此类现象在实际工程中广泛存在。吕锋等为研究梁偏心对方钢管混凝土柱-钢梁连接的内隔板式节点的抗震性能的影响，用ANSYS建立该节点的非线性有限元分析模型，通过梁相对于柱的不同位置在反复荷载作用下所得的滞回曲线进行对比，得出梁偏心对该节点影响的大小。施正捷等为了对提出的梁柱偏心节点的受力特征进行分析，通过有限元数值模拟的方式，对偏心模型进行受力分析。表明偏心节点核心区存在明显的三维扭转效应，以及梁柱截面的畸变翘曲效应。但是目前对于H型钢梁-H型钢柱偏心节点的研究较少。

针对以上研究现状，文章将以多层多跨偏心平面钢框架为研究对象，对框架偏心节点进行水平荷载作用下的力学性能研究。通过数值有限元模拟对模型进行单向加载，分析其力学性能。

1 有限元结构设计和模型概要

1.1 结构设计

为模拟分析梁柱偏心节点在整体钢框架的结构响应，故不考虑结构本身的建筑适用功能属性。如图1所示，选择以3层3跨钢框架结构为研究对象，其中梁长为6 000 mm，柱高为4 000 mm，梁构件截面为H-350×200×20×22 mm，柱构件截面为H-350×300×24×28 mm。框架体系中梁柱节点为焊接，梁向外平移，使梁柱轴线不重合，形成偏心节点。

1.2 有限元模型框架

3层3跨钢结构偏心平面框架结构有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型图

梁柱构件采用弹塑性8节点实体单元Soild185，网格划分方式采用映射划分，对于梁柱节点域区域进行较细的划分，对于其他区域进行较粗的划分，单元尺寸控制为100 mm。梁柱采用Q235B材料，材料的弹性模量为205 000 MPa，泊松比为0.3，屈服强度为235 MPa，极限强度为306 MPa，泊松比为0.3。有限元模型中，材料模型选用服从Voin-Mise屈服准则的双线性等向强化模型（BISO），考虑材料非线性和几何非线性。

在有限元模型中，柱脚采用固接连接，约束柱脚截面节点的所有自由度。在梁柱的接触设置中，将梁柱接触设置为绑定接触，等同于焊接。

2 有限元分析

在有限元数值分析中，采用单调加载方式对多层多跨平面钢框架进行加载。根据相关建筑设计规范，以1∶1.45∶2.39的比例对框架中的第一层、第二层和第三层施加的水平荷载。对多层多跨框架施加水平荷载进行抗震性能分析。分析内容如下：

2.1 层间剪力和层间变形角的关系分析

通过有限元分析可得到多层多跨平面钢架的水平荷载与层间变形角关系分析。各层在外荷载作用下都从弹性阶段进入了塑性阶段。将切线刚度达到初始刚度的1/3处的荷载值定义为其屈服点。其具体结果如表1所示。从表中可以得知，1层的初始刚度以及屈服荷载最大。其中1层的初始刚度为3层初始刚度的2.05倍，1层屈服荷载为3层屈服荷载的2.09倍。3层的初始刚度以及屈服荷载最小，2层的初始刚度以及屈服荷载居中。且由表1可以发现，各层的屈服层间变形角差异不大。

表1 多层框架结构推覆分析结果

2.2 应力响应分析

由表1可知，1层层间变形角为0.0081rad时，偏心框架模型进入屈服阶段。为对比偏心节点主体结构应力响应以及其破坏路径，将1层层间变形角为0.0081rad时偏心框架的应力云图进行进一步的分析。其应力云图如图2所示，偏心框架的最大应力出现在1层的中间跨红圈位置，即梁柱的节点域区域，其他位置的应力响应相对不明显。且2层梁柱节点域区域的应力响应也较为明显。