劉蘭剛,蘇明周,楚啟龍

(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西西安710055;2.山東達馳電氣有限公司,山東菏澤274200)

0 引 言

0.1 節(jié)點連接性能的分類

門式剛架結(jié)構(gòu)雖然在我國得到了廣泛的應(yīng)用,但在抗震性能研究方面,尤其在結(jié)構(gòu)的動力承載能力、延性、耗能等方面的研究還很不充分。一方面,門式剛架端板連接屬于半剛性節(jié)點,在設(shè)計時常常把它作為剛性節(jié)點;另一方面,構(gòu)件的腹板允許局部屈曲。節(jié)點的轉(zhuǎn)動和構(gòu)件的局部屈曲對門式剛架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響還需要進一步研究。

歐鋼規(guī)范按照節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度把節(jié)點分為:剛性、半剛性、鉸接[1],即

Sj-1＞25EIb/Lb時,節(jié)點為剛性;

25EIb/Lb＞Sj-1＞0.5EIb/Lb,節(jié)點為半剛性;

Sj-1＜0.5EIb/Lb,節(jié)點為鉸接。

式中:Sj-1為初始彈性轉(zhuǎn)動剛度;EIb/Lb為梁的線剛度。

根據(jù)國內(nèi)的研究表明,門式剛架端板連接節(jié)點屬于半剛性節(jié)點。目前國內(nèi)的設(shè)計規(guī)程只是在參考其他結(jié)構(gòu)形式的抗震研究基礎(chǔ)上給出了設(shè)計原則如允許構(gòu)件腹板局部屈曲和半剛性連接等不同于其他結(jié)構(gòu)的受力特點,結(jié)構(gòu)的實際性能無法判斷。因此,急需開展這種結(jié)構(gòu)形式的抗震性能的研究,才能弄清結(jié)構(gòu)的真實抗震性能,保證結(jié)構(gòu)使用的安全性、經(jīng)濟性和合理性。

0.2 門式剛架端板連接節(jié)點形式

對于門式剛架結(jié)構(gòu)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS102:2002)[2],端板連接的主要形式可分為:端板平放、端板豎放、端板斜放3種,如圖 1所示,本文中只針對端板連接節(jié)點斜放進行研究。

圖1 節(jié)點連接分類

0.3 端板連接節(jié)點的轉(zhuǎn)角

梁柱端板連接,節(jié)點轉(zhuǎn)角主要包括兩部分:節(jié)點域在剪力和彎矩作用下要產(chǎn)生剪切變形φr、端板和螺栓變形引起的轉(zhuǎn)角φep和節(jié)點域的彎曲變形。由于節(jié)點域的彎曲變形比較小,可以忽略。即節(jié)點的轉(zhuǎn)角 φ=φr+φep。

0.4 設(shè)計中存在的問題

(1)規(guī)范不能確定節(jié)點的實際剛度,也沒有判斷節(jié)點剛度分類的標準,這給設(shè)計者帶來一個問題,即如何保證端板連接的實際剛度滿足計算模型的假設(shè),避免實際結(jié)構(gòu)因計算時未考慮節(jié)點剛度的影響而產(chǎn)生過大的撓度和變形。

(2)目前我國現(xiàn)行規(guī)范對半剛性節(jié)點設(shè)計尚無相關(guān)規(guī)定[3],在門式剛架中,梁柱端板連接也作為剛接節(jié)點進行設(shè)計和計算,要求節(jié)點有足夠的剛度,但是實際構(gòu)造可能達不到剛性連接的要求。如果節(jié)點的實際剛度達不到剛接節(jié)點的要求,將會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的撓度和變形。尤其在門式剛架中,撓度和變形往往是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要考慮因素,有時甚至起控制作用。

(3)現(xiàn)行規(guī)范只是參考了相關(guān)國外設(shè)計規(guī)范的內(nèi)容[4],缺乏系統(tǒng)的理論和試驗研究。而各國規(guī)范的設(shè)計方法各有其適用性和局限性。已有的研究表明,我國現(xiàn)行規(guī)范中的有關(guān)端板連接的設(shè)計假定和計算方法均存在不合理的地方。為此,本文對端板斜放節(jié)點連接形式進行擬靜力有限元分析,以期對其性能有進一步的了解。

1 有限元計算模型

1.1 試件設(shè)計

為了研究節(jié)點各組成部分對節(jié)點性能的影響,本文共設(shè)計了10個模型。模型參考中國建筑標準設(shè)計研究院出版的《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)》(02SG518-1)編號為18-6c剛架進行設(shè)計,為變截面梁柱構(gòu)件。在此基礎(chǔ)上試件主要考慮了端板厚度、螺栓的直徑、螺栓間距等不同。具體尺寸見下表1,均為端板斜放形式。

表1 試件尺寸明細表

為減小程序計算量,建立有限元模型時進行如下簡化:

(1)本文主要研究節(jié)點平面內(nèi)的受力性能,不考慮梁柱構(gòu)件的平面外屈曲,結(jié)構(gòu)關(guān)于梁柱腹板中心線對稱,故可利用結(jié)構(gòu)的對稱性,僅建立一半的模型。

(2)將螺栓視為一個整體,同時由于整個加載過程中,螺栓頭和螺母與端板一直保持緊密接觸,故建模時,不考慮螺栓頭和螺母與端板的接觸分析,將其與端板粘合,僅考慮端板之間及螺栓桿與端板螺栓孔之間的摩擦性能。

1.2 有限元建模

1.2.1 材料模型

本文分析時梁、柱和端板均采用Q235鋼,螺栓采用10.9級摩擦型高強度螺栓。梁、柱、板加勁肋和螺栓的鋼材都采用彈塑性線性強化應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,如圖2所示,螺栓所用的材料其屈服應(yīng)力fby=940 MPa,屈服應(yīng)變 εby=fby/E,極限應(yīng)力1 040MPa(如圖2(a)),鋼材的彈性模量為 E=2.06×106MPa,對于Q235B鋼,屈服應(yīng)力為 fpy=235 MPa,屈服應(yīng)變 εpy=fpy/E,極限應(yīng)力fpu=450 MPa(如圖2(b))。模型采用Von Mises屈服準則和關(guān)聯(lián)流動法則,本構(gòu)關(guān)系采用隨動強化模型[5]。所有材料均為各向同性,泊松比均為0.3,屈服準則均采用VonMises屈服準則。材料屈服后采用流動理論和隨動強化準則。

圖2 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系簡化圖

1.2.2 網(wǎng)格劃分

單元劃分的好壞將直接影響到結(jié)果的準確性和計算精度,劃分單元的時候?qū)卧拈L寬比進行嚴格控制。對遠離節(jié)點的梁柱單元采用8節(jié)點Solid45實體單元并進行映射網(wǎng)格劃分,節(jié)點區(qū)、端板和螺栓采用精度較高的20節(jié)點Solid95實體單元采用自由和映射網(wǎng)格劃分。節(jié)點螺栓預(yù)拉力的施加通過PSMESH生成三維預(yù)拉單元PRETS179來實現(xiàn);端板之間采用Conta174接觸單元和Targe170目標元,摩擦系數(shù)采用0.35。整個模型及螺栓的有限元網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 有限元模型

1.2.3 邊界條件和加載控制

沿梁的長度、高度、寬度方向分別為 X、Y、Z軸方向,將柱的下端沿X、Y方向固定,使其只能繞 Z軸轉(zhuǎn)動,為了防止構(gòu)件平面外失穩(wěn),分別在梁和柱上設(shè)置4個和2個 Z向約束,在梁端設(shè)置Y向約束。在柱頂施加豎向恒載,其值為重力荷載代表值;在柱頂豎向端面節(jié)點沿X向進行耦合,程序?qū)a(chǎn)生一個主節(jié)點,外力以位移的方式施加于耦合端面的主節(jié)點上,并在螺栓上施加預(yù)應(yīng)力;柱上端施加循環(huán)位移荷載。

1.2.4 加載方式

對于擬靜力循環(huán)加載,考慮在柱側(cè)面伸出短梁,短梁處施加位移荷載,同時在柱頂施加軸壓力值為64 kN,此壓力根據(jù)抗震規(guī)范重力荷載代表值計算得到。對模型進行循環(huán)加載,加載方式首先為單調(diào)遞增加載,進入塑性之后,采用循環(huán)兩周遞增加載。如圖4所示。

圖4 加載方式

1.2.5 有限元程序的驗證

為了驗證上述有限元模擬方案的效果,本文利用ANSYS11.0對門式剛架端板連接的已有試件進行有限元模擬,對模型進行循環(huán)加載,與試驗結(jié)果進行比較。

選取西安建筑科技大學(xué)所做的門式剛架的端板連接試驗的一個試件進行有限元程序驗證,試驗曲線與計算曲線的對比如圖5所示。從圖中可以看出,有限元計算曲線與試驗曲線擬合的較好,因此本文所建立的有限元模型能夠很好的模擬門式鋼架端板連接在循環(huán)荷載作用下的受力性能。

圖5 試驗與數(shù)值分析滯回曲線

2 有限元計算結(jié)果及分析

2.1 節(jié)點承載能力及破壞模式分析

通過循環(huán)加載分析發(fā)現(xiàn),加載到180 mm時,整個節(jié)點在梁節(jié)點端發(fā)生局部屈曲,對于端板厚度t=16 mm,上翼緣破壞位置發(fā)生在距離端板400 mm～800 mm處,下翼緣破壞位置發(fā)生在距離端板520 mm～900 mm處。對于端板厚度 t=20 mm,上翼緣破壞位置發(fā)生在距離端板300 mm～800 mm處,下翼緣破壞位置發(fā)生在距離端板500 mm～900 mm處,大致為梁高0.6～1倍。同時發(fā)生腹板凸屈現(xiàn)象,如圖6所示。

表2 試件承載力有限元結(jié)果

從表2中可以看出,端板厚度大試件比端板厚度小的試件的承載力并沒有顯著提高,原因是節(jié)點有足夠的剛度,梁端出現(xiàn)破壞先于節(jié)點破壞,符合了地震破壞強節(jié)點弱構(gòu)件的要求。螺栓布置方式不同,對試件承載力的影響提高不明顯,主要原因是梁端出現(xiàn)破壞先于端板破壞。

圖6 有限元分析結(jié)構(gòu)

分析試件的應(yīng)力云圖,發(fā)現(xiàn)加載位移到140 mm時梁端開始出現(xiàn)塑性,而柱端和節(jié)點區(qū)未出現(xiàn)塑性,且塑性區(qū)大致長度為1/8L。根據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS102:2002)柱頂位移限值 h0/60計算為115 mm,與其接近。加載位移到180 mm時梁端出現(xiàn)了局部屈曲,屈曲位置應(yīng)力偏大,但未超出極限應(yīng)力,節(jié)點區(qū)整體平均應(yīng)力未進入屈服狀態(tài)。

2.2 滯回性能分析

分析圖7發(fā)現(xiàn)當M較小時剛度不變,當M增大到一定程度時模型邊緣開始屈服,剛度低,當卸荷后反向加載時,剛度仍不變小,滯回曲線呈平行四邊形,說明門式剛架結(jié)構(gòu)在循環(huán)加載下,整體剛度退化不大,在經(jīng)過峰值點后,滯回環(huán)開始擴張,相對較飽滿,說明了在地震作用下門式剛架有很好的延性。

2.3 骨架曲線分析

分析圖8:

(1)所有骨架曲線走勢相似,從彈性變形到屈服點,進入塑性階段,水平位移繼續(xù)增加但增速變緩,經(jīng)過塑性強化達極限值Pu后,開始下降直至塑性破壞。反向加載中,水平荷載下降得較早且迅速。

圖7 各個試件M-θ曲線

圖8 各個試件骨架曲線

(2)在Δ=-120 mm左右以前,試件都能保持穩(wěn)定的側(cè)向剛度,承載能力在Δ=-180 mm左右達到最大。

(3)所有模型的反向承載力大于正向承載力,主要的因素主要是由于梁柱截面的不對稱,以及端板下側(cè)有加勁肋造成的模型正、反向力學(xué)性能的差異所致。

(4)骨架曲線有明顯的上升段和下降段,表明試件延性較好,變形能力強,有較好的抗震性能。

表3 試件剛度分析結(jié)果

分析表3,在截面相同情況下,發(fā)現(xiàn)門式剛架初始剛度變化不大。根據(jù)歐鋼規(guī)范對于節(jié)點半剛性的規(guī)定(0.5～25)EI/L,分析結(jié)果得出節(jié)點區(qū)剛度為(1.08～1.25)EI/L,位于此范圍,屬于半剛性研究的范疇。梁端極限彎矩大致為全截面塑性彎矩的0.8～0.9之間,說明其截面的利用率較高。節(jié)點的極限轉(zhuǎn)角超過0.03 rad,說明門式剛架這種體系在地震荷載作用下具有良好的轉(zhuǎn)動能力,表現(xiàn)了較好的延性。

3 結(jié) 論

(1)在水平循環(huán)加載下,門式剛架結(jié)構(gòu)的滯回性能不同于一般的鋼框架,曲線大致呈平行四邊形,無捏攏現(xiàn)象,在經(jīng)過峰值點后,滯回環(huán)擴大,說明其剛度退化較慢。

(2)在水平荷載作用下,構(gòu)件梁端的極限承載彎矩是設(shè)計彎矩值的1.68～1.73倍,說明結(jié)構(gòu)具有足夠的安全系數(shù)。

(3)在水平荷載作用下,構(gòu)件梁端先于柱端進入塑性,實現(xiàn)了強柱弱梁的目的,且梁端塑性鉸的位置約為梁高的0.6～1倍,說明了這種結(jié)構(gòu)的出鉸位置不同于一般鋼框架結(jié)構(gòu)。柱頂位移與門式剛架規(guī)程規(guī)定位移限值接近,說明規(guī)程對于柱腳鉸接門式剛接的位移限值的規(guī)定是恰當?shù)摹?/p>

[1] CEN:ENV1993-1-1,“Eurocode 3:Design of Steel Structures:Part 1.1 General rules and rules for buildings”European Committee for Standardization[S].Brussels,1992.

[2] CECS 102:2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國工程建設(shè)標準化協(xié)會,2002.

[3] 施剛,石永久,王元清.門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)端板連接的有限元與試驗分析[J].土木工程學(xué)報,2004,37(7):6-12,34.

[4] GB50017-2003.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2003.

[5] 郭兵,顧 強.鋼框架梁柱端板連接在循環(huán)荷載作用下的破壞機理及抗震設(shè)計對策[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2002.