钢框架梁柱节点抗震性能研究

文章编号:100926825(2009)0920070203

钢框架梁柱节点抗震性能研究3

收稿日期:2008211219 3:四川省自然基金项目(项目编号:03J Y029203822);西南科技大学青年基金项目(项目编号:08zx3128)作者简介:程袁华(19812),女,硕士,助教,西南科技大学文学与艺术学院,四川绵阳　621010

褚云朋(19792),男,助教,西南科技大学土木工程与建筑学院,四川绵阳　621010陈　杉(19802),女,助教,西南科技大学文学与艺术学院,四川绵阳　621010

程袁华　褚云朋　陈　杉

摘　要:利用有限元软件ANSYS 对四种节点进行了抗震性能计算分析,结果表明:在反复荷载作用下,构造改进节点抗

震性能好,能够满足我国抗震规范的要求,极限状态时,塑性铰外移,避免节点的脆性断裂。关键词:钢框架梁柱节点,ANSYS ,抗震性能中图分类号:TU352.1文献标识码:A

国内外专家对汶川地震后进行的大量调查发现,地震中梁柱

节点破坏均属脆性破坏,即在框架没有塑性发展之前,梁柱连接处抗力大大低于梁、柱截面抗力,从而使得梁柱连接焊缝部位断裂,从而引发构件脆性破坏。针对目前存在的问题,工程界采取的主要手段是依据“强柱弱梁,强节点弱杆件”的抗震设计原则,将梁柱截面破坏位置从节点处外移,使得在梁的合适位置产生塑性铰,增大结构的延性。

被写入规范的梁和柱全焊连接节点作为具有较好延性性能的抗震结构予以推荐,但发生在美国和日本的两次大地震中却暴露出这种节点的弱点,大量框架梁柱连接节点处发生了脆性破坏,梁端没有形成塑性铰,裂缝多数出现在焊缝与柱的交界面处,有的延伸到柱翼缘甚至腹板[325]。本文对节点进行有限元对比分析,探讨节点区应力集中程度、耗能,采用有限元分析方法对四种构造改进型节点抗震性能、极限承载力、刚度变化等方面进行分析。

1　节点传力机理

钢框架节点在地震作用下承受柱和框架梁传来的轴向力、弯矩、剪力和扭矩[4],对于一般可简化为平面体系的框架结构,扭矩的影响可以忽略不计;此外,对于大多数连接来说,轴向变形、剪切变形与转动变形相比都比较小

。

2　有限元节点2.1　材料特性参数

节点中所有材料的应力应变关系均采用理想弹塑性随动强化节点,其中螺栓屈服强度为990MPa ,极限强度为1160MPa ,其余杆件部分钢材的屈服强度为215MPa ,钢材弹性模量取E =

2.06×105

MPa ,泊松比0.3,屈服准则采用von 2Mises 屈服准则,

强化准则采用双线性随动强化(B KIN )准则;采用10.9级M20摩

擦型高强螺栓,每个高强度螺栓的初始预拉力为155kN ,各部分摩擦面抗滑移系数均取0.4。

2.2　节点细部构造

根据本文分析特点,节点采用三维实体单元、接触单元、预拉伸单元;对梁柱构件、螺栓、角钢、加劲肋实体都用S olid45单元来建立节点;节点中的螺栓端板间存在大量的接触区,采用Targe170单元和Conta174单元来模拟其表面接触面;螺栓预拉力采用Prets179单元来施加。具体细部构造见图1,其中全焊接节点K J 21,栓焊连接节点K J 22,焊接梁柱加腋节点K J 23,焊接盖

板节点K J 24。

2.3　节点尺寸

四个节点梁柱尺寸完全相同,梁长1000mm ,柱长1500mm ;柱上相应梁上下翼缘部位加劲板厚8mm ,K J 22等肢角钢厚8mm ,肢长50mm ,角钢长120mm 。依据文献[5],K J 23腋板厚度取10mm ,宽度100mm ,高度150mm ,倾角θ=45°;节点K J 24盖板厚度10mm ,宽与梁宽相同,长度取100mm 。

2.4　约束条件和加载方式

采用柱上下两端面内节点位移全部进行约束的方式来模拟

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07・第35卷第9期2009年3月 山西建筑SHANXI ARCHITECTURE

Vol.35No.9Mar.　2009

柱上下截面的刚接,由圣维南原理可知,这样模拟边界条件仅影响柱端部较小范围内应力分布,而对所需重点研究的节点应力分布无影响,为避免加载过程中梁端产生扭转,将加载点加载方向的位移进行耦合,这样会造成加载点局部应力集中,但对重点分析的节点域部位力学性能影响不大。

在梁端进行低周往复加载,小于120kN 时每次递增40kN ,大于120kN 时每次递增20kN ,直到节点破坏

。

3　往复加载分析3.1　承载力分析

从有限元计算结果看到节点K J 23,K J 24极限承载力比K J 21,

K J 22提高很多,K J 22比K J 21向下承载力提高50%,说明采用栓焊连接也可提高承载力,这与以往的试验研究得到的结论相一致[1,2]。极限承载力的提高,提高了结构的安全储备,从而降低因偶然荷载作用可能导致的结构破坏的可能性。

3.2　梁上翼缘应力分析

如图2a )所示为节点在往复加载到极限状态时,应力沿梁上翼缘长度方向的分布情况。依据经典力学理论,应力沿梁长度方向应呈单调递减,可看到除K J 23由于加腋板的存在,使得其应力发生突变外,其余节点均满足此种力学特征。K J 22梁翼缘应力小于屈服强度未进入塑性状态,说明在内力较大的梁柱交接处,角钢

可分担一部分荷载的传递,减小外力对梁上下翼缘板的作用。如图2b )所示为极限状态时,应力沿梁上翼缘宽度方向分布情况,可看到应力数值分布相对较为均匀,应力数值相对较小。

4　抗震性能分析4.1　滞回性能分析

图3给出了各个节点梁端荷载位移曲线,由图3可知:1)在开始的几个循环中,节点处于弹性阶段,刚度没有明显降低,卸载曲线和加载曲线的弹性部分接近平行,恢复滞后现象基本没有,随着荷载的增加,四种节点都是在荷载大约达到120kN 时曲线斜率明显降低,说明开始由完全弹性进入弹塑性,刚度退化,K J 23和K J 24节点表现出了饱满、稳定的滞回性能,具有很好的耗能能力,K J 21和K J 22滞回性能相对较弱。2)K J 23和K J 24正向刚度小于反向刚度,所以向下加载时梁悬臂端位移较大;还有每次循环加载都从向下加载开始,导致产生向下的位移要由向上的荷载先弥合,然后才能产生向上的位移,从图3中也可看到向上刚度几乎没有退化,荷载位移曲线基本为直线。3)K J 24连接节点包络图面积最饱满,表现出最好的延性,说明采用该种节点构造时,节点具有较好的耗能能力,且梁端位移较大,破坏前会给人以警示;节点域力学性能得到较好改善。

4.2　骨架曲线分析

由图4可知:1)K J 21,K J 22刚刚进入弹塑性状态就已经破坏;节点初始刚度很接近,但可看到K J 24比K J 23刚度退化得要快些。2)几个节点的屈服位移数值较为接近,尤其是反向屈服时,位移数值接近相等,正向屈服位移值:K J 23和K J 24大于K J 21和K J 22的;极限位移值:K J 24大于K J 23的。

4.3　节点耗能能力及延性分析

耗能能力是评价结构抗震性能的重要指标。粘滞阻尼系数h e 可用来表达结构构件的耗能能力(取每个节点最后一个完整的滞回环面积计算);位移延性系数反映结构、构件非线性变形能力,是评价结构抗震性能的重要指标。

所有节点的等效粘滞阻尼系数和位移延性系数见表1,等效粘滞阻尼系数值越大,耗能能力越好,由表1可知,节点K J 23,K J 24具有较好耗能能力;加载到屈服状态后,节点的延性较好,K J 22,K J 21次之,这与骨架曲线的对比图结论相一致,见图4。

表1　节点等效粘滞阻尼系数和位移延性系数

节点编号

K J 21K J 22K J 23K J 24h e 值0.170.1750.2890.291μ值

2.45

2.48

4.22

4.31

5　结语

汶川地震中,钢框架结构表现出较好的抗震能力,但节点部位还是出现了不同程度的破坏,更加证明了节点是框架结构设计的重要环节。1)改进后节点抗震性能较好,滞回环饱满,在强震时表现出较好的耗能能力。2)改进后节点极限承载力明显高于K J 21,K J 22,在承载力极限状态时,梁发生较明显的塑性变形,破坏

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17・ 第35卷第9期2009年3月

程袁华等:钢框架梁柱节点抗震性能研究