顏彥　王波

摘? ? 要：創(chuàng)新性地提出了梁削弱結(jié)合端板加勁肋的新型外伸端板連接，并運(yùn)用通用有限元軟件ANSYS 建立三維有限元模型，對(duì)外伸端板連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行滯回性能分析。結(jié)果表明：本文提出的新型外伸端板連接具有與普通外伸端板連接相當(dāng)?shù)臏匦阅堋?/p>

關(guān)鍵詞：梁削弱;外伸端板連接;有限元分析;滯回性能

1? 前言

1994年美國(guó)洛杉磯北嶺地震和1995年日本神戶(hù)地震中，許多鋼框架結(jié)構(gòu)因梁柱連接節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性斷裂而遭受破壞，促使工程界開(kāi)始廣泛研究梁柱連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施與抗震性能[1][2][3][4]，并陸續(xù)提出了各類(lèi)梁削弱型節(jié)點(diǎn)形式。然而目前工程界對(duì)梁削弱型節(jié)點(diǎn)的研究多以梁柱全焊接節(jié)點(diǎn)為對(duì)象，鮮有針對(duì)端板螺栓連接的文獻(xiàn)。本文通過(guò)有限元分析，考察梁翼緣和腹板開(kāi)孔以及端板加勁肋組合下外伸端板連接的滯回性能。

2? 有限元分析

使用有限元軟件ANSYS建立了6個(gè)有限元模型，主要參數(shù)見(jiàn)表1。梁截面尺寸均為300mm×200mm×8mm×12mm，柱截面尺寸均為300mm×250mm×8mm×12mm。端板厚度均為20mm，柱加勁肋與梁翼緣等厚，端板加勁肋與梁腹板等厚。

2.1? 有限元模型

構(gòu)件均為8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元SOLID 185;采用單元TARGE 170和CONTA 174模擬面-面接觸;采用PSMESH命令創(chuàng)建預(yù)拉單元PRETS 179，并用SLOAD 命令施加螺栓預(yù)拉力。利用幾何對(duì)稱(chēng)性取實(shí)際結(jié)構(gòu)的一半建模，在梁柱腹板中心面施加對(duì)稱(chēng)約束，柱端通過(guò)全約束形成固定支座。圖1為部分有限元模型示意圖。

2.2? 材料特性

鋼板為Q235鋼，采用多線(xiàn)性隨動(dòng)強(qiáng)化模型并參考清華大學(xué)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[5]定義材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)。端板摩擦面的抗滑移系數(shù)取0.44。螺栓的材料特性通過(guò)雙折線(xiàn)模型進(jìn)行模擬，屈服強(qiáng)度f(wàn)by=940MPa，極限抗拉強(qiáng)度f(wàn)bu=1175MPa。泊松比均取0.3，彈性模量E=2.06×105MPa，采用von Mises屈服準(zhǔn)則，材料屈服后采用流動(dòng)理論。

2.3? 分析過(guò)程

分析過(guò)程分兩個(gè)荷載步：第一步施加螺栓預(yù)拉力;第二步施加低周反復(fù)荷載，荷載采用文獻(xiàn)[6] K2.4b節(jié)的建議值。

2.4? 計(jì)算結(jié)果

各有限元模型的滯回曲線(xiàn)如圖2所示?？梢钥吹?，模型M3的滯回曲線(xiàn)略呈“反S形”，曲線(xiàn)中段存在捏攏;其余模型的滯回曲線(xiàn)總體呈“梭形”，穩(wěn)定且飽滿(mǎn)。模型M3的端板未設(shè)加勁肋，端板抗彎剛度較低，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性后端板變形較大，高強(qiáng)度螺栓更早進(jìn)入塑性，端板和柱翼緣之間的縫隙不斷增大，反向加載時(shí)需要先閉合縫隙，此時(shí)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度小，變形恢復(fù)能力較差。

模型M1和M4的滯回曲線(xiàn)比較接近，表明梁翼緣開(kāi)孔較小，對(duì)截面的削弱不明顯;模型M1和M5的滯回曲線(xiàn)差異明顯，M1的殘余變形大于M5，前者塑性耗能能力比后者強(qiáng)，表明腹板開(kāi)洞較大，對(duì)截面的削弱比較顯著。

各有限元模型的能量耗散系數(shù)發(fā)展趨勢(shì)如圖3所示?？梢钥闯?，當(dāng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角小于0.02rad，各模型的能量耗散系數(shù)十分接近，隨著荷載級(jí)數(shù)增加，模型耗能能力的差距越來(lái)越顯著。其中，模型M3未設(shè)置端板加勁肋，其耗能能力顯著弱于其他模型;模型M2和M5由于腹板開(kāi)洞對(duì)截面削弱比較明顯，其耗能能力均弱于其他腹板未削弱的模型;模型M3與M5分別在轉(zhuǎn)角達(dá)到0.03rad和0.05rad后出現(xiàn)耗能能力下降的趨勢(shì)，表明其節(jié)點(diǎn)塑性發(fā)展過(guò)快，耗能儲(chǔ)備較少;模型M6的耗能能力比較接近M1，且在大變形區(qū)段強(qiáng)于M5，表明端板加勁肋加長(zhǎng)后能夠有效彌補(bǔ)腹板開(kāi)洞對(duì)截面剛度的削弱。

各有限元模型的節(jié)點(diǎn)骨架曲線(xiàn)如圖4所示。對(duì)比可知，除模型M3以外，其余模型的骨架曲線(xiàn)非常接近，屈服位移和屈服荷載基本相當(dāng)。

3? 結(jié)論

經(jīng)一系列有限元分析，得到以下結(jié)論：

（1）翼緣削弱較少，對(duì)端板連接的滯回性能影響不明顯，建議后續(xù)增加開(kāi)孔數(shù)量進(jìn)一步探討。

（2）腹板削弱較多，對(duì)端板連接的滯回性能影響較明顯，表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)耗能能力有所降低。

（3）本文提出的新型外伸端板連接具有與普通外伸端板連接相當(dāng)?shù)臏匦阅?，同時(shí)便于管線(xiàn)穿行，壓縮建筑層高。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 黃炳生.日本神戶(hù)地震中建筑鋼結(jié)構(gòu)的震害及啟示[J].建筑結(jié)構(gòu)，2000（30）：24～25.

[5] 石永久，李兆凡，陳宏，王元清.高層鋼框架新型梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2002（3）：2～7.

[6] AISC 341—16. Seismic Provisions for Structural Steel Buildings[S].