单斜式无横缀条双肢格构柱抗震性能分析

摘 要：单斜式无横缀条双肢格构柱属于建筑工程的常用结构形式，为了提高其设计水平，研究过程设置4大类、20种不同的结构模型，利用有限元模拟探究不同设计因素对格构柱抗震性能的影响。相关的设计因素包括缀条夹角、缀条的焊接方式、节点是否偏心，评价指标为延性性能、耗能性能、刚度退化趋势。根据研究内容得出结论，当缀条夹角为45°，采用两面侧焊时，其延性系数最高，有利于耗能和抗震，在缀条改为四面包焊后，刚度有所增加，耗能水平和抗震性略有下降，节点无偏心有利于增强抗震性，当缀条夹角大于45°时，格构柱抗震性能明显降低。

关键词：单斜式无横缀条双肢格构柱；抗震性能；有限元分析

中图分类号：TU 352 " " 文献标志码：A

单斜式无横缀条双肢格构柱在建筑工程中应用广泛，其优点为承载力高、节约施工材料、造价低。这类格构柱的结构设计方案对其抗震性能具有较大的影响，因此需要通过数值模拟确定合理的结构形式。

孟军[1]通过低周反复加载试验测得“H”形钢梁的滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线，从而判断钢梁的抗震性能。高志[2]通过有限元分析法探究了钢格构柱与无梁楼板连接处的抗震性。在此次研究中，基于前人的经验，利用ABAQUS软件建立多种单斜式无横缀条双肢格构柱的网格模型，设置不同的模型参数，向其施加竖向载荷和水平低周往复载荷，模拟地震作用下的延性变形、耗能水平和刚度退化趋势，确定格构柱结构形式、焊接方式等关键性的设计因素，提高其抗震性。

1 单斜式无横缀条双肢格构柱抗震性能有限元模拟

1.1 单斜式无横缀条双肢格构柱结构组成

单斜式无横缀条双肢格构柱由“H”形钢和缀条组成。“H”形钢的高度、宽度、翼缘厚度、腹板厚度分别为300mm、200mm、12mm、8mm。缀条采用角钢形式，长度为63mm，翼面厚度为6mm。角钢分布在“H”形钢的中间区域，以斜向45°焊接在型钢内侧。格构柱“H”形钢和角钢均为Q235B材质，利用E50焊条进行焊接。

1.2 格构柱有限元模型构建

以格构柱实物为基础，利用ABAQUS软件建立相应的有限元模型，对其抗震性能进行数值模拟，建模过程如下。

1.2.1 选择结构组件的单元类型

单斜式无横缀条双肢格构柱的主要结构组件包括“H”形钢、顶板、缀条、底板，同时设计有锚栓、加劲肋，此类结构可统一设置为软件中C3D8R单元类型。用焊接方式连接格构柱的部分结构组件，由于焊缝具有不均匀性，因此将其设置为C3D8I单元[3]。

1.2.2 划分网格

研究过程采用差异化网格密度，将“H”形钢、顶板、底板、锚栓的网格均设置为40mm，缀条的网格大小设置为20mm。焊缝对精细度要求较高，将其网格大小设置为5mm。图1为网格模型示例。

1.2.3 设置模型参数

对单斜式无横缀条双肢格构柱来说，缀条的设计方案对其抗震性具有显著的影响，包括缀条与双肢的夹角、节点偏心情况、缀条的焊接方式以及设计轴压比等。根据以上因素的差异性设计4大类、20种格构柱模型，模型参数见表1。

1.3 抗震加载方式设计

在抗震分析中，需要对格构柱施加低周反复载荷，从而模拟地震作用。在有限元模拟过程中，格构柱载荷分为两类：作用在柱端耦合点处的轴向压力，其压力与轴压比相关[4]，以上20种模型的最大轴向压力为2444kN，最小轴向压力为1222kN；低周期水平往复载荷，加载幅值从小到大递增，加载过程持续时间为50s。载荷的表现形式为柱端位移量。水平往复载荷的加载制度如图2所示。

2 基于有限元模拟数据的格构柱抗震性能分析

2.1 格构柱抗震性能评价指标选取

2.1.1 延性性能

延性性能体现了格构柱的塑性变形能力，当受到地震载荷作用时，通过塑性变形，降低结构开裂的风险，同时消耗能量[5]。延性性能的评价指标为延性系数，其计算结果越大，说明格构柱的塑性变形能力越强。

2.1.2 刚度退化

用刚度退化曲线描述结构顶部发生单侧位移施加的力（即抗侧刚度）与位移大小的关系。在同等位移量情况下，抗侧刚度越大，说明格构柱的耗能性能越强。

2.1.3 耗能性能

单斜式无横缀条双肢格构柱的主体结构为金属材质，当其因地震作用发生变形时，会吸收能量。在抗震分析中，通常采用等效黏滞阻尼系数表征其耗能，该系数越大，说明发生同等程度的变形时，格构柱吸收的能量越多，抗震性越强。基于以上3种评价指标，单斜式无横缀条双肢格构柱的抗震性能评价体系如图3所示。

2.2 格构柱延性性能数据分析

2.2.1 延性系数数值模拟结果分析

利用有限元软件模拟计算20个模型的延性系数，结果如图4所示。从趋势图可知，模型I-1～I-5的延性系数整体较大，其次为模型Ⅳ-1～Ⅳ-5。模型Ⅱ-1～Ⅱ-5的延性系数整体最小。由此可知，如果根据延性系数对模型的抗震性能进行排序，那么4组模型的抗震性排序结果为I＞Ⅳ＞Ⅲ＞II。

对比第I组和第II组模型，两组模型的差异是缀条的安装角度，第I组模型均为45°，第II组模型均为62.5°，第I组模型的延性系数均大于第II组模型。由此可见，当缀条安装角度为45°时，有利于提高抗震性。

对比第I组和第Ⅲ组模型的延性系数，两组模型的差异是节点是否偏心。从延性系数可知，节点无偏心有利于提高抗震性能。

对比第I组和第Ⅳ组模型的延性系数，差异是缀条的焊接方式，前者为两面侧焊，后者为四面围焊。采用两面侧焊方式有利于提高格构柱的延性系数和抗震性能。

2.2.2 基于延性性能的承载力分析

对比4组模型的屈服载荷和极限载荷，结果见表2。从数据可知，模型的承载能力与延性系数呈正相关。当延性系数较大时，其承载力更高，有利于提高抗震性。

2.3 格构柱刚度退化数据分析

2.3.1 刚度退化曲线模拟结果

从2.2节可知，I-1、II-1、III-1、IV-1为各组中抗震性能最佳的单斜式无横缀条双肢格构柱模型。对以上4个模型进行刚度退化有限元模拟，绘制位移-抗侧刚度曲线，结果如图5所示。

2.3.2 基于刚度退化数据的抗震性能分析

在图5中，柱端位移可表示单斜式无横缀条双肢格构柱的变形量。4种模型的刚度退化趋势较为相似，IV-1模型的刚度退化速度最慢，其次为I-1模型。II-1模型的初始刚度最小，刚度退化速度最快。对比IV-1和I-1模型，在柱端位移相同的情况下，IV-1模型的缀条采用四面围焊的焊接方式，因此IV-1模型的抗侧刚度略大于I-1模型的抗侧刚度。

在柱端位移相同的情况下，抗侧刚度越大，格构柱模型的抗震性能越好。因此，从刚度退化曲线可知，I-1模型、IV-1模型的抗震性能明显优于II-1模型、III-1模型，与延性性能的判断结果基本一致。

2.4 格构柱耗能性能数据分析

2.4.1 等效黏滞阻尼系数有限元模拟结果

图6为20个格构柱模型等效黏滞阻尼系数的有限元模拟结果。从数据可知，第I组模型和第IV组模型的等效黏滞阻尼系数差异非常小，其抗震效果基本相当。第III组模型的等效黏滞阻尼系数小于第I组和第IV组，因此抗震性能较差。第II组模型的等效黏滞阻尼系数整体最小，抗震性能最差。

2.4.2 相同位移下的耗能数据分析

将柱端最大位移设定为84mm，模拟每个模型的耗能。同等位移下的耗能水平越高，说明模型的抗震性能越强。位移和耗能的模拟结果见表3。从数据可知，第I组模型的整体耗能水平最高，其次为第IV组模型。第II组模型的耗能水平最低。因此，根据耗能水平对抗震性能进行排序，则排序结果为I组＞IV组＞III组＞II组。

3 结论

研究过程设计了4种类别、20种单斜式无横缀条双肢格构柱模型，利用ABAQUS软件构建格构柱的网格化模型，改变模型的设计参数，包括缀条与型钢的夹角、缀条的焊接方式、节点是否偏心。针对每个模型施加不同轴压比的轴向载荷和水平低周期往复载荷，模拟计算模型的延性系数、等效黏滞阻尼系数、耗能水平以及刚度退化曲线，并得出以下结论。1）在4组模型中，根据抗震性能强弱排序，结果为第I组＞第IV组＞第III组＞第II组。2）对比缀条安装角度为45°和62.5°的参数结果，后者的延性系数、等效黏滞阻尼系数、耗能水平均最低，说明当安装角度过大时，格构柱的抗震性能明显下降。3）对比节点偏心和节点无偏心两种情况，在节点偏心的情况下，格构柱的延性性能、耗能性能和刚度均出现了下降趋势，不利于提高抗震性。因此，在格构柱设计阶段，应保证节点无偏心。4）对比缀条两面侧焊和四面围焊两种因素，后者提高了缀条的刚度，不利于格构柱在地震作用下的塑性变形和能量吸收，抗震性降低，但影响幅度较小。

参考文献

[1]孟军.装配式抗侧力钢格构柱抗震性能分析[J].建筑技术开发，2023，50（4）：51-53.

[2]高志.钢格构柱与无梁楼板连接处力学性能及抗震分析研究[J].铁道建筑技术，2023（9）：98-102.

[3]欧智菁，俞杰，林上顺，等.钢管混凝土双肢格构墩梁桥抗震优化设计[J].福建工程学院学报，2019，17（6）：511-517，538.

[4]黄志，熊陆增，蒋丽忠，等.四肢钢管混凝土格构柱试验研究及参数分析[J].防灾减灾工程学报，2024，44（3）：616-622，631.

[5]孟凡涛，阮兴群，赵建锋，等.密缀板耗能格构柱加固既有框架结构的简化分析及工程应用[J].中南大学学报（自然科学版），2021，52（3）：1004-1016.