王 偉，王明興

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092;2.同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系，上海 200092)

節(jié)點(diǎn)是鋼結(jié)構(gòu)體系中使構(gòu)件相互連接并成為整體的關(guān)鍵部位，其性能直接影響結(jié)構(gòu)的剛度、穩(wěn)定性、承載能力與耗能能力。由于傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)一般采用全焊連接或栓焊連接，焊縫熱影響區(qū)和螺栓滑移都可能對(duì)節(jié)點(diǎn)的抗震性能產(chǎn)生不利影響。例如，在1994年日本阪神地震和1995年美國(guó)北嶺地震中，超過(guò)100幢高延性鋼框架的焊接節(jié)點(diǎn)發(fā)生了斷裂［1－2］。后續(xù)研究形成的共識(shí)表明，合理的節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)除需提高焊縫本身的韌性之外，更應(yīng)注重通過(guò)造型的優(yōu)化對(duì)應(yīng)力流的方向進(jìn)行控制，進(jìn)而降低對(duì)斷裂韌性的需求［3］。與這些傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)相比，鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)(即通過(guò)鑄造技術(shù)將節(jié)點(diǎn)區(qū)域制成一個(gè)整體鑄鋼模塊后與相鄰梁柱焊接)能使焊縫遠(yuǎn)離最不利截面，同時(shí)恰可通過(guò)幾何造型的靈活變化滿(mǎn)足剛度、承載能力、耗能能力以及澆鑄工藝的要求，且具有優(yōu)美的建筑外觀［4］，因而在改善鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能方面具有較大的工程應(yīng)用前景。另一方面，近年來(lái)冷成型方(矩)形鋼管柱已較多應(yīng)用于地震區(qū)的多高層空間鋼框架結(jié)構(gòu)，主要是由于其在截面兩個(gè)正交方向上幾何和力學(xué)性能相近，抗彎模量大，內(nèi)部空間易于填充混凝土，且造型優(yōu)美。因此，本文主要針對(duì)鑄鋼模塊化耗能技術(shù)在鋼管柱－H形梁框架節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 鑄鋼件在鋼結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀

近年來(lái)鑄鋼件在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用主要以大跨空間鋼結(jié)構(gòu)中的鑄鋼節(jié)點(diǎn)為主，由于鑄鋼節(jié)點(diǎn)為整體澆鑄成型，避免了多桿交匯的節(jié)點(diǎn)區(qū)焊縫密集、應(yīng)力集中和焊接殘余應(yīng)力大、制作加工困難等問(wèn)題，已在廣州會(huì)展中心［5］、北京老山自行車(chē)館［6］等大跨度空間結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。隨著研發(fā)工作的深入，鑄鋼節(jié)點(diǎn)在鋼框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用和研究也在近年來(lái)得以開(kāi)展，主要涉及H形梁柱節(jié)點(diǎn)及與支撐的連接。

在鋼框架 H 形梁柱節(jié)點(diǎn)方面，F(xiàn)leischman 等［7－8］提出了一種鑄鋼整體節(jié)點(diǎn)PZ－MN(圖1)，其主要特點(diǎn)有:① 梁連接區(qū)端部和柱腹板加勁板端部的圓角構(gòu)成的“十”字形，減小了梁翼緣與柱翼緣交接處的局部扭曲;② 梁連接區(qū)無(wú)腹板，以防止梁翼緣發(fā)展更高的端部剪力，從而大大地減小梁翼緣彎曲和在梁連接區(qū)的翼緣和腹板交接處的塑性應(yīng)變梯度;③ 梁連接區(qū)以及連接節(jié)點(diǎn)域的柱翼緣截面削弱(鑄造形成)，達(dá)到控制節(jié)點(diǎn)域形成延性的變形機(jī)制的目的;④ 梁連接區(qū)翼緣加勁肋和腹板連接的構(gòu)造，分別減小了焊縫位置的二次彎曲和增強(qiáng)梁連接區(qū)翼緣的局部穩(wěn)定性。研究表明，該節(jié)點(diǎn)具有良好的延性和穩(wěn)定高效的耗能能力。Ali Sumer等［9－10］提出了一種新型梁柱連接件，避免了螺栓撬力，由節(jié)點(diǎn)連接件的大變形給結(jié)構(gòu)提供足夠的延性。邵永松等［11－12］在總結(jié)以往梁柱半剛性連接優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出以鑄鋼件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的軋制連接件，利用有限元分析軟件ANSYS優(yōu)化得到適宜鋼框架連接的鑄鋼連接件及節(jié)點(diǎn)形式，對(duì)鑄鋼件連接鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度進(jìn)行了參數(shù)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證［13］，結(jié)果表明鑄鋼件連接節(jié)點(diǎn)初始剛度和極限承載力均較傳統(tǒng)半剛性節(jié)點(diǎn)有大幅度提高，表現(xiàn)出較好的延性和耗能能力。

圖1 PZ-MNFig.1 PZ-MN

在與支撐的連接方面，Oliveira等［14］提出了一種用于圓鋼管支撐與節(jié)點(diǎn)板連接的鑄鋼連接件，通過(guò)靜力和循環(huán)往復(fù)加載試驗(yàn)表明該鑄鋼連接件是一種在抗震應(yīng)用中可選的連接鋼管支撐的方法。Ward等［15］開(kāi)發(fā)了中心支撐鋼框架的鑄造模塊化支撐系統(tǒng)，并研究了該系統(tǒng)的屈曲控制問(wèn)題［16］。

從上述研究現(xiàn)狀中不難看出，目前國(guó)內(nèi)外鑄鋼件應(yīng)用于多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的研究成果總體有限，尤其對(duì)于鋼管柱－H形梁框架連接中的應(yīng)用及研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

圖2 節(jié)點(diǎn)域的變形模式［19］Fig.2 Deformation mode of panel zone

2 新型方(矩)形鋼管柱－H形梁鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)理念

從2002年以來(lái)，國(guó)際上對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)性能的研究開(kāi)始較多關(guān)注以塑性耗能為導(dǎo)向的節(jié)點(diǎn)工作機(jī)理。節(jié)點(diǎn)域是抗震鋼結(jié)構(gòu)體系中的重要耗能部件，已有的研究表明［17－18］，節(jié)點(diǎn)域在屈服后仍有很高的富余強(qiáng)度，同時(shí)具有高延性、滯回耗能穩(wěn)定、往復(fù)應(yīng)變硬化顯著等特點(diǎn)，其剪切塑性變形模式可以提供較為穩(wěn)定和可預(yù)期的耗能能力。然而，當(dāng)節(jié)點(diǎn)域發(fā)生較大變形時(shí)也可能導(dǎo)致梁翼緣與柱翼緣焊接部位的角點(diǎn)附近局部扭曲，從而誘發(fā)斷裂見(jiàn)圖2［19］。這一現(xiàn)象引發(fā)了鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)研究中必須解決的一個(gè)重要課題，即如何在通過(guò)節(jié)點(diǎn)域穩(wěn)定滯回耗能以使得節(jié)點(diǎn)耗能能力最大化的同時(shí)又不失良好的剛度和延性。因此，本文針對(duì)方(矩)形鋼管柱與H形梁的連接提出一種節(jié)點(diǎn)域、梁端、柱端一體化澆鑄的新型鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)，基于鑄造的靈活性對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)足剛度要求的前提下使其既能充分發(fā)揮節(jié)點(diǎn)域穩(wěn)定優(yōu)良的耗能能力，又能最大程度延緩斷裂的發(fā)生，從而保證節(jié)點(diǎn)具有良好的延性。對(duì)于鋼框架結(jié)構(gòu)而言，節(jié)點(diǎn)型式一般重復(fù)度較高，通過(guò)設(shè)定若干標(biāo)準(zhǔn)型式和尺度的鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)模數(shù)化生產(chǎn)，有利于建筑工業(yè)化。

2.2 基于斷裂延遲的構(gòu)造設(shè)計(jì)

鑄鋼節(jié)點(diǎn)的幾何型式與性能可能受到鑄造工藝的影響，研發(fā)過(guò)程中應(yīng)按照規(guī)范的要求和相關(guān)設(shè)計(jì)指南進(jìn)行鑄造可行性論證和構(gòu)造設(shè)計(jì)。本文提出的方(矩)形鋼管柱－H形梁鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造如圖3所示。需要指出的是，通過(guò)鑄造工藝很容易在柱內(nèi)節(jié)點(diǎn)域?qū)?yīng)梁上、下翼緣的位置分別鑄造出寬度約為節(jié)點(diǎn)域壁厚2倍并與節(jié)點(diǎn)域一體化的內(nèi)肋(相當(dāng)于傳統(tǒng)梁柱焊接節(jié)點(diǎn)的內(nèi)隔板)，用于提高梁翼緣拉壓力的傳遞效率。因而該鑄鋼模塊分為節(jié)點(diǎn)域、柱連接區(qū)、梁連接區(qū)、內(nèi)肋共4部分。其中，梁連接區(qū)與節(jié)點(diǎn)域的連接、內(nèi)肋與節(jié)點(diǎn)域的連接均為一體化鑄造成型的光滑弧面過(guò)渡，弧面曲率半徑約為梁翼緣厚度的2倍。該構(gòu)造設(shè)計(jì)的主要考慮是:當(dāng)節(jié)點(diǎn)域發(fā)生較大剪切變形時(shí)，弧面過(guò)渡不僅能降低應(yīng)力集中，還能增加局部連接部位的剛度，從而減輕梁翼緣與柱翼緣交接處的局部扭曲，延遲斷裂發(fā)生的可能性。鑄鋼模塊的柱連接區(qū)和梁連接區(qū)端部則分別與相鄰的鋼管柱、H形梁通過(guò)全熔透焊縫連接。

圖3 鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)型式Fig.3 Pattern of cast modular joint

2.3 基于節(jié)點(diǎn)域耗能的承載力設(shè)計(jì)

為使鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)耗能穩(wěn)定且具有良好的結(jié)構(gòu)適用性，應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)域與梁截面發(fā)展塑性耗能的時(shí)序進(jìn)行控制。一般可采用反映節(jié)點(diǎn)域與梁相對(duì)強(qiáng)弱的實(shí)用指標(biāo)如 VpzMy/Vpzy［20］或 VpzMp/Vpzp進(jìn)行承載力設(shè)計(jì)，其中VpzMy為梁邊緣屈服時(shí)的節(jié)點(diǎn)域剪力，Vpzy為節(jié)點(diǎn)域屈服時(shí)的剪力，VpzMp為梁全截面屈服時(shí)的節(jié)點(diǎn)域剪力，Vpzp為節(jié)點(diǎn)域的全塑性剪切承載力。節(jié)點(diǎn)域既不宜太薄，也不宜太厚。若節(jié)點(diǎn)域太薄，會(huì)使鋼框架的層間位移增大較多，即剛度不足，同時(shí)也可能無(wú)法滿(mǎn)足鑄造工藝的要求;而節(jié)點(diǎn)域太厚又會(huì)使其無(wú)法充分發(fā)揮耗能作用。因此需要結(jié)合基于結(jié)構(gòu)整體耗能能力的節(jié)點(diǎn)最優(yōu)耗能時(shí)序評(píng)估對(duì)上述實(shí)用指標(biāo)的取值范圍進(jìn)行深入研究。現(xiàn)階段可近似按照我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011－2010)［21］有關(guān)傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)域承載力的規(guī)定進(jìn)行鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)的承載力設(shè)計(jì)，即符合下式要求:

式中Mpb1、Mpb2為分別為節(jié)點(diǎn)域兩側(cè)梁的全塑性受彎承載力;Vp為節(jié)點(diǎn)板域的體積，對(duì)于工字型截面柱Vp=hb1hc1tw，對(duì)于箱型截面柱 Vp=1.8hb1hc1tw;fyv為鋼材的屈服抗剪強(qiáng)度;ψ為折減系數(shù)，6度IV類(lèi)場(chǎng)地和7度時(shí)可取 0.6，8、9 度時(shí)可取0.7。

對(duì)于工字型和箱型截面柱的節(jié)點(diǎn)域還應(yīng)按下式驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)域的穩(wěn)定性:

式中hb、hc為分別為梁腹板高度和柱腹板高度;tw為柱在節(jié)點(diǎn)域的腹板厚度。

需要說(shuō)明的是，鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)域附近的一體化光圓弧面對(duì)節(jié)點(diǎn)域全塑性剪切承載力的影響需要進(jìn)一步加以研究確定。

2.4 鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)依據(jù)與工藝要求

目前國(guó)內(nèi)可供參考的與鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有關(guān)的主要標(biāo)準(zhǔn)有:國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《一般工程用鑄造碳鋼件》(GB/T 11352 －2009)［22］、《焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件》(GB/T 7659 －2010)［23］、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS 235:2008)［24］。焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼的材料牌號(hào)有ZG200－400H、ZG230 －450H、ZG275 －485H、G17Mn5、G20Mn5，其中屈服強(qiáng)度最高的牌號(hào)為G20Mn5，屈服強(qiáng)度≥300 MPa，不同的材料能保證的伸長(zhǎng)率也不同。梁柱連接節(jié)點(diǎn)對(duì)材料的延性要求很高，不同牌號(hào)的焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼采用精密鑄造工藝后都能達(dá)到《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011－2010)［21］中鋼材的伸長(zhǎng)率不低于20%的規(guī)定要求，因此焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼可以用于抗震結(jié)構(gòu)。鑄鋼選材時(shí)應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征、節(jié)點(diǎn)形式、應(yīng)力狀態(tài)、鑄件厚度、工作環(huán)境、鑄造工藝等因素，選擇技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的鑄鋼材料。

在工藝方面，鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用合理的壁厚，設(shè)計(jì)時(shí)可參考《鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS 235:2008)［23］的表 5.0.3.1 和 5.0.3.2。鑄鋼壁厚不宜過(guò)薄，否則在生產(chǎn)過(guò)程中容易出現(xiàn)澆不足和冷隔缺陷。鑄鋼壁厚也不宜過(guò)厚［23］，否則生產(chǎn)時(shí)容易出現(xiàn)縮松等缺陷。鑄鋼壁厚較厚時(shí)［4］，表面與芯部冷卻速度差別較大，導(dǎo)致芯部結(jié)晶組織與力學(xué)性能明顯差別于表面部分。因而，較厚鑄件的組織性能比較薄鑄件差，其強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊功等力學(xué)指標(biāo)亦隨壁厚的增加而降低。隨著壁厚的增加，鑄鋼節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度并不按比例增加，鑄鋼的屈服強(qiáng)度等指標(biāo)反而明顯降低。

鑄鋼件的各向異性并不顯著，可以用于應(yīng)力三軸性較高的節(jié)點(diǎn)區(qū)。一般來(lái)說(shuō)，軋制鋼材的縱向力學(xué)性能通常略高于同牌號(hào)的鑄鋼件，橫向性能則低于鑄鋼件，其平均性能基本與質(zhì)量良好的鑄鋼件大致相同。

3 新型方(矩)形鋼管柱－H形梁鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)的性能分析

3.1 節(jié)點(diǎn)模型設(shè)計(jì)

按照上節(jié)提出的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)考慮鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)依據(jù)與工藝要求，設(shè)計(jì)出一個(gè)鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)模型作為后文數(shù)值模擬分析的對(duì)象，其構(gòu)造和尺寸如圖4所示。需要說(shuō)明的是，該節(jié)點(diǎn)模型近似按抗震規(guī)范有關(guān)箱型截面柱的節(jié)點(diǎn)域屈服承載力計(jì)算后與梁的相對(duì)強(qiáng)弱關(guān)系為:

其中，ψ取0.7，即節(jié)點(diǎn)域相對(duì)梁截面較弱，可發(fā)生較大的剪切塑性變形。

圖4 鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)尺寸Fig.4 Dimensions of cast modular joint

圖5 鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)有限元模型圖Fig.5 FE model of cast modular joint

3.2 節(jié)點(diǎn)有限元分析模型

通過(guò)商用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)采用上述方形鋼管柱－H形梁鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)的中柱子結(jié)構(gòu)建立有限元模型(如圖5所示)，進(jìn)行模擬地震作用的平面內(nèi)單調(diào)和循環(huán)往復(fù)加載分析。子結(jié)構(gòu)模型中的鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)與焊接H形鋼梁(H600!300!18!22)、冷成型方鋼管柱(□400!400!19)分別通過(guò)全熔透焊縫連接，梁長(zhǎng)為6 m，柱高為4 m。單元類(lèi)型采用線(xiàn)性六面體縮減積分單元C3D8R。鑄鋼材料的屈服強(qiáng)度取為300 MPa，梁、柱所用Q345鋼材的屈服強(qiáng)度取為345 MPa，彈性模量均為206 GPa。鑄鋼和Q345鋼均考慮2%初始剛度的強(qiáng)化段，強(qiáng)化法則為隨動(dòng)強(qiáng)化，并考慮幾何非線(xiàn)性。通過(guò)梁端反對(duì)稱(chēng)加載，柱上下端均為鉸接約束，不考慮柱頂軸力的影響。單調(diào)加載時(shí)直接至0.08 rad的層間位移角，循環(huán)加載時(shí)參照 AISC 抗震規(guī)范［25］的規(guī)定，但只加載至0.06 rad的層間位移角，加載制度見(jiàn)圖6。

為比較新型鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)與傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)的性能差異，同時(shí)也建立了2個(gè)具有相同幾何尺度的采用傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)的中柱子結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行分析，其中一個(gè)模型為不設(shè)內(nèi)隔板的全焊接節(jié)點(diǎn)型式［26］，另一個(gè)模型為設(shè)置內(nèi)隔板的全焊接節(jié)點(diǎn)型式，外觀見(jiàn)圖7。它們與鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)模型對(duì)應(yīng)的區(qū)域取為相同的材性。梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)的連接焊縫按抗震規(guī)范要求為全熔透對(duì)接焊縫。為簡(jiǎn)化分析，并未在有限元模型中考慮焊縫模擬。因此，上述焊接節(jié)點(diǎn)模型與鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)模型的差異主要體現(xiàn)在梁與柱的連接、內(nèi)隔板與柱的連接等幾何形狀改變處均沒(méi)有合適的弧面過(guò)渡。考慮到傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)焊接殘余應(yīng)力與焊接熱影響區(qū)脆性對(duì)節(jié)點(diǎn)延性可能產(chǎn)生的不利影響以及鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)一體化澆鑄成型工藝對(duì)連接區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)和材性的有利影響，上述簡(jiǎn)化處理后的分析比較結(jié)果應(yīng)是偏于安全的。

圖6 循環(huán)往復(fù)加載制度Fig.6 Loading protocal of cyclic loading

圖7 傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)型式Fig.7 Traditional welded connections

3.3 節(jié)點(diǎn)延性斷裂趨勢(shì)預(yù)測(cè)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

為便于比較當(dāng)節(jié)點(diǎn)域發(fā)生較大變形時(shí)不同節(jié)點(diǎn)模型發(fā)生延性斷裂的趨勢(shì)和位置，引入下面2類(lèi)斷裂指數(shù)作為反映延性斷裂發(fā)生傾向的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(1)斷裂指數(shù)RI

Hancock等［27］提出一種粗略的延性斷裂應(yīng)變的計(jì)算方法:

式中εf為延性斷裂發(fā)生時(shí)的應(yīng)變，a為材料常量，σm、σe分別為靜水壓力和Mises應(yīng)力。稱(chēng)T=σm/σe為應(yīng)力三軸度。

通常采用有效塑性應(yīng)變(PEEQ)來(lái)描述關(guān)鍵部位的塑性發(fā)展?fàn)顩r，采用應(yīng)力三軸度來(lái)描述高三軸應(yīng)力狀態(tài)造成鋼材損傷的迅速累積，導(dǎo)致斷裂應(yīng)變大幅減小。為了更簡(jiǎn)便地評(píng)估斷裂發(fā)生的傾向大小，El-Tawil等［19］提出一個(gè)與材料無(wú)關(guān)的斷裂指數(shù)RI(Rupture Index)，其值為等效塑性應(yīng)變與延性斷裂應(yīng)變的比值:

Ricles等［28］應(yīng)用RI成功地優(yōu)化了抗彎梁柱連接的焊接孔型。

(2)修正斷裂指數(shù)MRI

Chao等［29］對(duì)RI作了修正，用整個(gè)加載歷史T的最大值代替RI中的T，提出如下修正的斷裂指數(shù)MRI，其表達(dá)式為:

3.4 新型鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)與傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)抗震性能的分析結(jié)果比較

3.4.1 梁端彎矩－層間位移角曲線(xiàn)的比較

對(duì)鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)和傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)有限元分析得到的梁端彎矩(M)－層間位移角(θ)曲線(xiàn)分別如圖8和圖9所示。可以看出，有內(nèi)隔板的焊接節(jié)點(diǎn)無(wú)論在剛度、承載力、耗能能力方面均低于鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)，無(wú)內(nèi)隔板的焊接節(jié)點(diǎn)則低于有內(nèi)隔板的焊接節(jié)點(diǎn)。這表明內(nèi)隔板與局部的弧面過(guò)渡都顯著的提高了節(jié)點(diǎn)的抗震性能。

圖8 單調(diào)加載時(shí)的梁端彎矩－層間位移角變化曲線(xiàn)Fig.8 Curve of beam end moment to story drift under monotonic loading

圖9 循環(huán)往復(fù)加載時(shí)的梁端彎矩－層間位移角變化曲線(xiàn)Fig.9 Curve of beam end moment to story drift under cyclic loading

圖11 傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)可能斷裂的關(guān)鍵點(diǎn)Fig.11 Critical points of traditional welded connections

3.4.2 節(jié)點(diǎn)延性斷裂趨勢(shì)的比較

結(jié)合有限元預(yù)分析，選取了鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)和傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)的可能斷裂的關(guān)鍵點(diǎn)，如圖10和圖11所示。鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)選擇5個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)選擇1個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。作出單調(diào)加載和循環(huán)往復(fù)加載時(shí)各關(guān)鍵點(diǎn)的RI－θ和MRI－θ曲線(xiàn)，分別如圖12和圖13所示(圖中m表示單調(diào)加載，h表示循環(huán)往復(fù)加載;N表示鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)，TD表示有內(nèi)隔板的傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)，TE表示無(wú)內(nèi)隔板的傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn);數(shù)字表示點(diǎn)號(hào);RI和MRI分別表示斷裂指數(shù)和修正的斷裂指數(shù))。

圖12 單調(diào)加載時(shí)的RI－θ與MRI－θ曲線(xiàn)Fig.12 Curve of RI－θand MRI－θunder monotonic loading

圖13 循環(huán)往復(fù)加載時(shí)的RI－θ和MRI－θ曲線(xiàn)Fig.13 Curve of RI－θand MRI－θunder cyclic loading

由鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)與焊接節(jié)點(diǎn)單調(diào)加載時(shí)關(guān)鍵位置的RI－θ與MRI－θ曲線(xiàn)對(duì)比可以看出，有內(nèi)隔板和無(wú)內(nèi)隔板的焊接節(jié)點(diǎn)在最不利位置的RI及MRI遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)，表明傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)在梁端翼緣處更為容易斷裂。還可以看出，相同的RI或MRI水平時(shí)，即當(dāng)斷裂發(fā)生傾向接近時(shí)，鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)能經(jīng)受住多倍于焊接節(jié)點(diǎn)的層間位移角，其延性遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)。有內(nèi)隔板的傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)往往比無(wú)內(nèi)隔板的RI及MRI小一些，說(shuō)明無(wú)內(nèi)隔板的傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)更容易斷裂，同時(shí)也驗(yàn)證了RI及MRI預(yù)測(cè)斷裂發(fā)生傾向的可靠性。在有限元模型中，沒(méi)有考慮焊縫熱影響區(qū)的不利影響，實(shí)際上焊縫熱影響區(qū)可能使得梁端翼緣發(fā)生斷裂的傾向更大。通過(guò)對(duì)比可以得出結(jié)論，鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)的幾何構(gòu)造能夠有效的延緩斷裂的發(fā)生。究其原因，可以總結(jié)為以下三方面:① 適當(dāng)尺度的鑄造弧面過(guò)渡是降低應(yīng)力集中程度的有效措施，同時(shí)將焊縫熱影響區(qū)以及焊接殘余應(yīng)力的影響外移出最不利受力截面;② 弧面過(guò)渡的存在提高了梁翼緣與柱翼緣連接部位的局部剛度，從而抑制了局部扭曲變形;③內(nèi)肋在傳遞梁翼緣的拉壓力時(shí)比僅依靠柱壁傳遞要直接有效的多。循環(huán)往復(fù)加載的結(jié)果與單調(diào)加載的結(jié)果一致，如圖13所示。

圖14 0.04 rad時(shí)不同節(jié)點(diǎn)型式的RI云圖Fig.14 RI contours of different pattern nodes at story drift of 0.04 rad

圖15 不同節(jié)點(diǎn)單調(diào)加載時(shí)節(jié)點(diǎn)域剪切變形角占層間位移角的比例Fig.15 Proportion of shear deformation angle to storydrift under monotonic loading of different connections

為了更直觀地比較RI的相對(duì)大小，作出單調(diào)加載至0.04 rad時(shí)不同節(jié)點(diǎn)型式的RI云圖(見(jiàn)圖14)，可以看出，單調(diào)加載至0.04 rad時(shí)，鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)的最不利位置在梁端翼緣的弧面起弧處的邊緣，偏離了柱壁一段距離，而焊接節(jié)點(diǎn)的最不利位置都在梁端翼緣與柱壁的交接處。

3.4.3 節(jié)點(diǎn)耗能能力與機(jī)制的比較

研發(fā)鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)最為重要的一個(gè)目標(biāo)是利用節(jié)點(diǎn)域穩(wěn)定高效的耗能能力。在不考慮斷裂因素的條件下，從節(jié)點(diǎn)域剪切變形和節(jié)點(diǎn)域耗能兩方面來(lái)評(píng)價(jià)不同節(jié)點(diǎn)型式的耗能能力。

節(jié)點(diǎn)域剪切變形角占層間位移角的比例可以用來(lái)間接地反映節(jié)點(diǎn)域耗能對(duì)節(jié)點(diǎn)總耗能的貢獻(xiàn)。圖15給出了單調(diào)加載時(shí)不同節(jié)點(diǎn)模型的節(jié)點(diǎn)域剪切變形角占總層間位移角比例的變化規(guī)律。可以看出，有內(nèi)隔板的焊接節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)域剪切變形角占層間位移角的比例比無(wú)內(nèi)隔板的焊接節(jié)點(diǎn)大，鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)域剪切變形角占層間位移角的貢獻(xiàn)比有內(nèi)隔板的焊接節(jié)點(diǎn)大，內(nèi)隔板和弧面過(guò)渡均能直接提高節(jié)點(diǎn)的剛度，把對(duì)變形的需求轉(zhuǎn)移至對(duì)節(jié)點(diǎn)域變形的需求。焊接節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)域剪切變形對(duì)層間位移角貢獻(xiàn)比較小，意味著對(duì)梁翼緣的變形需求就很高。不同節(jié)點(diǎn)在相同的層間位移角時(shí)，鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)能發(fā)展足夠大的節(jié)點(diǎn)域剪切變形。例如層間位移角為0.03 rad時(shí)，鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)的剪切變形對(duì)層間位移角的貢獻(xiàn)約為61%，對(duì)利用節(jié)點(diǎn)域剪切塑性變形耗能來(lái)說(shuō)是相當(dāng)可觀的。

現(xiàn)在直接考察不同節(jié)點(diǎn)在不同加載水平下的節(jié)點(diǎn)總耗能及節(jié)點(diǎn)域耗能(這里的加載水平是指加載至某一層間位移角對(duì)應(yīng)的圈數(shù)結(jié)束)。不同加載水平下的節(jié)點(diǎn)域耗能占總耗能的比例如圖16所示，可以看出，在節(jié)點(diǎn)域幾乎處于彈性階段時(shí)，對(duì)于鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)，梁連接區(qū)端部先進(jìn)入塑性，其節(jié)點(diǎn)域耗能占總耗能的比例較小，節(jié)點(diǎn)域開(kāi)始進(jìn)入塑性之后，節(jié)點(diǎn)域耗能占總耗能的94%以上;對(duì)于有內(nèi)隔板的焊接節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)域耗能占總耗能的40%～50%，隨著循環(huán)往復(fù)加載圈數(shù)的增加，節(jié)點(diǎn)域耗能比例逐漸減小;對(duì)于無(wú)內(nèi)隔板的焊接節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)域耗能占總耗能的比例低于20%，隨著循環(huán)往復(fù)加載圈數(shù)的增加，節(jié)點(diǎn)域耗能比例逐漸增加。

不同節(jié)點(diǎn)在不同加載水平下的節(jié)點(diǎn)總耗能如圖17所示，可以看出，有內(nèi)隔板的焊接節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)總耗能略低于鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)，無(wú)內(nèi)隔板的焊接節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)總耗能明顯低于其他兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)。加載至0.01 rad對(duì)應(yīng)的圈數(shù)結(jié)束時(shí)，無(wú)內(nèi)隔板的焊接節(jié)點(diǎn)總耗能為26.9 kJ，有內(nèi)隔板的焊接節(jié)點(diǎn)總耗能為12.4 kJ，鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)的總耗能為6.5 kJ，說(shuō)明在較低層間位移角的情況下，無(wú)內(nèi)隔板的焊接節(jié)點(diǎn)在梁端發(fā)展塑性比有內(nèi)隔板的焊接節(jié)點(diǎn)大，有內(nèi)隔板的焊接節(jié)點(diǎn)在梁端發(fā)展塑性比鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)大，傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)對(duì)梁端的塑性變形需求大于鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)。

圖16 不同加載水平下的節(jié)點(diǎn)域耗能占總耗能的比例Fig.16 Proportion of panel zone energy dissipation to total energy dissipation under different loading levels

圖17 不同加載水平下的節(jié)點(diǎn)總耗能圖Fig.17 Total energy dissipation under different loading levels

圖18 不同加載水平下的節(jié)點(diǎn)域耗能圖Fig.18 Panel zone energy dissipation under different loading levels

不同節(jié)點(diǎn)在不同加載水平下的節(jié)點(diǎn)域耗能如圖18所示，可以看出，相同的加載水平之下，鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)域耗能遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)域的穩(wěn)定耗能得到充分利用。

節(jié)點(diǎn)域的剪切塑性變形模式的耗能特點(diǎn)可以從節(jié)點(diǎn)域剪力－剪切變形角變化曲線(xiàn)看出，如圖19所示，節(jié)點(diǎn)域剪力－剪切變形角的滯回曲線(xiàn)飽滿(mǎn)且穩(wěn)定，節(jié)點(diǎn)域在屈服后仍有很高的富余強(qiáng)度。其中鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)域剪力－剪切變形角滯回曲線(xiàn)最為飽滿(mǎn)，發(fā)展了很大的剪切變形。

圖19 節(jié)點(diǎn)域剪力－剪切變形角變化曲線(xiàn)Fig.19 Curve of panel zone shear to shear deformation

圖20 不同節(jié)點(diǎn)單調(diào)加載至θ=0.04 rad時(shí)的塑性區(qū)域大小及變形模式圖Fig.20 Plastic region size and deformation modes of different connections at 0.04 rad story drift under monotonic loading

3.4.4 節(jié)點(diǎn)塑性變形模式的比較

不考慮斷裂的情況下，不同節(jié)點(diǎn)單調(diào)加載至θ=0.04 rad時(shí)的塑性區(qū)域大小及變形模式如圖20所示(變形放大至5倍)，黑色區(qū)域表示進(jìn)入塑性的區(qū)域，顏色愈深，表示Mises應(yīng)力愈大。可以看出，鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性的區(qū)域比焊接節(jié)點(diǎn)大，表明鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)耗能更加充分。有內(nèi)隔板的焊接節(jié)點(diǎn)和無(wú)內(nèi)隔板的焊接節(jié)點(diǎn)的塑性集中在梁端翼緣，顯然對(duì)梁端翼緣的變形能力提出了比鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)更高的需求。鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)的柱壁變形比焊接節(jié)點(diǎn)小，在柱壁與梁翼緣交接處的曲率比焊接節(jié)點(diǎn)小，有內(nèi)隔板的焊接節(jié)點(diǎn)在柱壁與梁翼緣交接處的曲率比無(wú)內(nèi)隔板的焊接節(jié)點(diǎn)小，內(nèi)隔板和弧面過(guò)渡均對(duì)抑制柱壁的彎折發(fā)揮了重要的作用。

4 結(jié)論

本文提出了一種節(jié)點(diǎn)域、梁端、柱端一體化澆鑄的新型方(矩)形鋼管柱－H形梁鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)及其設(shè)計(jì)方法。該節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在:

(1)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)域最優(yōu)耗能時(shí)序的精確控制，進(jìn)而在不損失延性的情況下充分發(fā)揮抗震鋼結(jié)構(gòu)體系的耗能能力;

(2)抗震性能優(yōu)于傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)，體現(xiàn)在剛度、承載力、延性和耗能能力等各個(gè)方面，能適用于對(duì)延性和耗能能力要求較高的抗震鋼結(jié)構(gòu);

(3)傳力路線(xiàn)明確，造型美觀，并有利于工業(yè)化建造。

鑄鋼模塊化節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)概念同樣適用于由其他截面構(gòu)件連接的框架節(jié)點(diǎn)，如圓鋼管柱－H形梁連接、H形梁柱連接、橢圓形鋼管柱－H形梁連接等，因而具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

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