新型梁柱裝配式節(jié)點(diǎn)低周循環(huán)加載模擬

新型梁柱裝配式節(jié)點(diǎn)低周循環(huán)加載模擬

剛性鋼框架由于其良好的抗疲勞動(dòng)性而被廣泛使用，梁柱連接節(jié)點(diǎn)在鋼框架中起著重要作用。長期以來,人們一直認(rèn)為工地焊接的剛性梁柱連接具有很好的韌性,在地震作用下可以充分發(fā)展塑性變形以吸收地震能量。然而1994年美國的Northbridge地震和1995年日本的阪神大地震后［１－２］,在梁柱連接焊縫附近發(fā)生了脆性破壞［３－４］,這就從根本上改變了人們對(duì)梁柱焊接節(jié)點(diǎn)抗震性能的看法,螺栓連接開始得到廣泛應(yīng)用?？蚣芙Y(jié)構(gòu)中鋼梁采用懸臂梁段與柱連接是規(guī)范［５－６］推薦使用的一種連接形式,這種節(jié)點(diǎn)因其短懸臂梁段與柱連接,柱呈樹狀而被國外學(xué)者命名為“樹狀柱”［７］。新型梁柱裝配式節(jié)點(diǎn)［８］通過在懸臂梁與框架梁的上、下翼緣交互布置拼接板,并且預(yù)先在鋼結(jié)構(gòu)加工廠里通過焊縫完成兩側(cè)拼接板與梁的連接。在節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場安裝過程中,兩側(cè)已經(jīng)焊牢的拼接板充當(dāng)耳朵板作用,使安裝梁段快速就位,就位后,再用螺栓完成拼接板與另一側(cè)梁上、下翼緣的連接,以及腹板的拼接,完成了梁柱剛性節(jié)點(diǎn)的安裝。該梁柱剛性節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)合理、傳力明確、現(xiàn)場安裝過程快速就位、無焊接、施工效率高,安全性好,既可提高安裝效率,又避免了焊接引起火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),該種節(jié)點(diǎn)在施工現(xiàn)場全部采用螺栓拼裝,這給施工現(xiàn)場條件惡劣不方便施焊的工地,帶來極大的方便。為了更好地研究該新型節(jié)點(diǎn)的滯回性能,本文對(duì)帶懸臂梁段拼接的鋼框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元參數(shù)分析,考察不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)該新型節(jié)點(diǎn)滯回性能的影響。1試驗(yàn)設(shè)計(jì)與金元模型1.1高強(qiáng)螺栓型連接與梁腹板、腹板等強(qiáng)設(shè)計(jì)梁拼接的設(shè)計(jì)方法主要有4種［９］:等強(qiáng)設(shè)計(jì)方法、實(shí)用設(shè)計(jì)方法、精確設(shè)計(jì)方法和簡化設(shè)計(jì)方法。而對(duì)于有抗震設(shè)防要求的連接節(jié)點(diǎn),一般采用等強(qiáng)設(shè)計(jì)方法［１０］,以保證構(gòu)件的連續(xù)性和節(jié)點(diǎn)具有良好的延性。等強(qiáng)設(shè)計(jì)方法在彈性階段要求高強(qiáng)螺栓摩擦型連接與梁腹板凈截面抗剪等強(qiáng);而在彈塑性階段,高強(qiáng)螺栓摩擦型連接轉(zhuǎn)化為承壓型連接,高強(qiáng)螺栓抗剪極限承載力提高1倍左右,一般都能滿足彈塑性階段極限抗剪承載力的驗(yàn)算要求。梁柱均為H形鋼截面,柱截面取H250×250×9×14,梁截面取H300×160×8×10,梁長度取1.55m。梁拼接部分選用10.9級(jí)M20高強(qiáng)度螺栓,栓孔直徑為21.5mm。梁上、下翼緣蓋板連接螺栓為單剪,腹板拼接螺栓為雙剪,連接抗滑移系數(shù)取0.4。采用等強(qiáng)設(shè)計(jì)方法對(duì)節(jié)點(diǎn)拼接部位進(jìn)行設(shè)計(jì),螺栓數(shù)目為翼緣6個(gè),腹板6個(gè),與梁翼緣采用三面圍焊連接的側(cè)面角焊縫長度為150mm,正面角焊縫的長度為160mm,焊角尺寸hｆ為10mm。BASE試件幾何尺寸如圖1所示。1.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析梁柱試件采用Q235鋼,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線采用考慮強(qiáng)化段和下降段的三折線模型,更加符合鋼材在單向拉伸試驗(yàn)中表現(xiàn)出來的真實(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,能正確描述出鋼材屈服后的強(qiáng)度硬化以及超過極限應(yīng)變后強(qiáng)度退化現(xiàn)象,如圖2所示。根據(jù)所做的試驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)σｙ=298.8N·mm－２,εｙ=0.146%,E=2.05×10５N·mm－２,σｕ=435.7N·mm－２,εｕ=19.8%,εｓｔ=34%,泊松比ν=0.3。焊條采用E43型,焊縫材料材性指標(biāo)參考文獻(xiàn)確定,強(qiáng)化段參考文獻(xiàn)確定,σｙ=350N·mm－２,εｙ=0.155%,E=2.05×10５N·mm－２,σｕ=480N·mm－２,εｕ=1.512%。螺栓材性指標(biāo)取值參照國家標(biāo)準(zhǔn),選用10.9級(jí)M20高強(qiáng)螺栓摩擦型連接,栓孔直徑為21.5mm,摩擦接觸面抗滑移系數(shù)μ=0.4。10.9級(jí)螺栓的預(yù)拉力P=155kN,σｙ=980N·mm－２,εｙ=0.470%,σｕ=1100N·mm－２,εｕ=1.360%,E=2.05×10５N·mm－２。1.3節(jié)點(diǎn)、螺栓與梁端的網(wǎng)格劃分在有限元模型劃分時(shí),梁、柱分別采用C3D8R和C3D8I實(shí)體單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,螺栓采用C3D8I掃掠網(wǎng)格劃分,在栓桿上施加螺栓荷載來模擬高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力?？紤]拼接板與梁翼緣和腹板的摩擦作用,在翼緣拼接板與梁翼緣、腹板拼接板與腹板之間設(shè)接觸對(duì),并定義摩擦屬性,同時(shí)忽略栓桿與孔壁之間的摩擦。網(wǎng)格劃分的精度與應(yīng)力復(fù)雜程度相關(guān),節(jié)點(diǎn)及螺栓計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示。在高強(qiáng)螺栓拼接部位及節(jié)點(diǎn)域處網(wǎng)格劃分較密,其它部位網(wǎng)格劃分較稀疏。約束條件采用柱端施加限制所有自由度的固定約束,梁端截面的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行y方向位移耦合,外力以位移的方式施加于耦合面的主節(jié)點(diǎn)上,并在梁端距柱翼緣1.3m左右的位置施加x方向的約束,相當(dāng)于梁的平面外約束。試件模擬時(shí)荷載的施加順序結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行,首先施加螺栓的預(yù)拉力155kN,然后施加梁端循環(huán)荷載。根據(jù)文獻(xiàn),即首先模擬計(jì)算梁柱連接在正方向單向加載時(shí)的行為,單向加載時(shí)僅劃分一個(gè)荷載步(位移為Δ=100mm),分若干個(gè)子步,根據(jù)單向荷載作用下的荷載-位移曲線確定屈服位移Δｙ=20mm。本文模擬分析的過程在梁端施加強(qiáng)制的位移,初始位移為屈服位移的20%,每次每級(jí)位移增量約為20%,當(dāng)試件屈服前,每級(jí)荷載循環(huán)1次;屈服后,依次增加2、3、4、5倍屈服位移,每級(jí)荷載循環(huán)2次。加載制度如圖4所示。2節(jié)點(diǎn)滯回性能試驗(yàn)結(jié)果通過改變螺栓數(shù)目、蓋板寬度及厚度、懸臂梁段長度這4個(gè)參數(shù),衍生出一系列分析試件,分析這些參數(shù)對(duì)該新型梁柱裝配式節(jié)點(diǎn)滯回性能的影響。本文一共進(jìn)行了4組16個(gè)試件的循環(huán)加載分析。各組試件尺寸及分析結(jié)果如下。2.1滯回性能對(duì)比為了研究螺栓數(shù)目對(duì)新型梁柱裝配式節(jié)點(diǎn)滯回性能的影響,設(shè)計(jì)了DM組試件,它們分別為BASE、DM-1、DM-2和DM-3試件,尺寸如表1所示。采用等強(qiáng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的BASE試件拼接螺栓數(shù)目為翼緣6個(gè),腹板6個(gè),在此設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,考慮增加和減少螺栓數(shù)目對(duì)該新型節(jié)點(diǎn)滯回性能的影響。采用比BASE試件減少20%拼接螺栓的DM-1、DM-2試件和增加20%左右拼接螺栓的試件DM-3與BASE試件對(duì)比。在循環(huán)荷載作用下,BASE及DM試件的滯回曲線如圖5所示。從形狀上看,BASE試件的滯回曲線明顯比DM-1飽滿,DM-2、DM-3試件的滯回性能則優(yōu)于BASE試件,直到破壞都沒有出現(xiàn)荷載突變現(xiàn)象,說明試件沒有出現(xiàn)螺栓滑移。DM-1試件在梁端位移達(dá)到2.5Δｙ時(shí)螺栓出現(xiàn)了滑移,但該試件仍能完成5Δｙ的位移循環(huán)。BASE及DM-1~DM-3試件達(dá)到極限位移時(shí)的承載力分別為127.2kN、112.9kN、131.7kN和131.5kN?？梢?減少螺栓數(shù)目會(huì)使節(jié)點(diǎn)的極限承載力下降,而增加螺栓數(shù)目則會(huì)使節(jié)點(diǎn)的延性和極限承載力有所提高,但提高的幅度不大。2.2不同板栗寬度的滯回曲線為了研究蓋板寬度對(duì)新型梁柱裝配式節(jié)點(diǎn)滯回性能的影響,設(shè)計(jì)了GW組試件,它們分別為GW-1、GW-2、GW-3和GW-4試件,尺寸如表2所示。GW組試件是蓋板寬度由140mm增加到240mm的試件組,該組試件的滯回曲線如圖6所示。由圖可見,寬度為180mm的GW-2的滯回曲線不如BASE試件的飽滿。GW-3為蓋板寬度增至220mm的試件,適當(dāng)增加蓋板長度可以得到滯回性能較好的節(jié)點(diǎn)試件。而當(dāng)蓋板長度增加到240mm時(shí),試件的滯回曲線呈現(xiàn)出梭形。GW組試件達(dá)到極限位移時(shí)的承載力分別為135.6kN、113.8kN、135.8kN、121.3kN。由以上分析可知改變蓋板寬度對(duì)節(jié)點(diǎn)延性有一定的影響。2.3板厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響為了研究蓋板厚度對(duì)新型梁柱裝配式節(jié)點(diǎn)滯回性能的影響,設(shè)計(jì)了GT組試件,它們分別為GT-1、GT-2、GT-3和GT-4試件,尺寸如表3所示。該組試件在循環(huán)荷載作用下的滯回曲線如圖7所示。比較GT-1~GT-4試件的滯回曲線可以看出,蓋板厚度對(duì)連接節(jié)點(diǎn)性能有較明顯的影響。適當(dāng)增加蓋板厚度,其滯回曲線將更加飽滿,延性更好,初始剛度增大,極限承載力有較大提高,原因在于增大蓋板厚度,可以減少螺栓中的杠桿力,對(duì)螺栓受力有利。但當(dāng)蓋板厚度增加到2倍梁翼緣厚度時(shí),節(jié)點(diǎn)的滯回性能明顯減弱,達(dá)到極限位移時(shí)的承載力降低為98.7kN。綜合以上對(duì)梁上、下翼緣蓋板寬度和厚度的分析,可以看出,當(dāng)蓋板橫截面積與梁翼緣板橫截面積的比值在0.58~1.05之間時(shí),該新型梁柱裝配式節(jié)點(diǎn)在梁端位移為50mm左右時(shí),螺栓即出現(xiàn)滑移,節(jié)點(diǎn)的滯回曲線呈梭形,延性較差;而當(dāng)其比值在1.3~2.0之間時(shí),節(jié)點(diǎn)的耗能能力較低,但當(dāng)其比值在1.05~1.30之間時(shí)節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出良好的延性及耗能能力,因此蓋板橫截面積與梁翼緣板橫截面比值宜控制在1.05~1.30之間。2.4節(jié)點(diǎn)的滯回特性為了研究懸臂梁段長度對(duì)新型梁柱裝配式節(jié)點(diǎn)滯回性能的影響,設(shè)計(jì)了XBL組試件,它們分別為XBL-1、XBL-2、XBL-3、XBL-4、XBL-5和XBL-6試件,尺寸如表4所示。對(duì)于該新型梁柱裝配式節(jié)點(diǎn),懸臂梁段的長度對(duì)節(jié)點(diǎn)的滯回有較大影響。《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［５］中要求:懸臂梁段的長度一般距柱軸線不超過1.6m。文獻(xiàn)指出拼接節(jié)點(diǎn)一般設(shè)在內(nèi)力較小的位置,但考慮施工安裝的方便,通常是設(shè)在距梁端1/10跨長或兩倍梁高范圍之外并不大于1.6m。為了得到該新型梁柱裝配式節(jié)點(diǎn)適當(dāng)?shù)膽冶哿憾伍L度,對(duì)不同懸臂梁段長度節(jié)點(diǎn)的滯回性能進(jìn)行了分析,XBL組試件的滯回曲線如圖8所示。可以看出,試件的滯回曲線受懸臂梁段長度的影響明顯。XBL-1、XBL-2試件在梁端位移為40mm、50mm時(shí)出現(xiàn)拼接滑移,達(dá)到極限位移時(shí)的承載力分別為106.3kN、107.5kN,這比BASE試件降低了15%,而XBL-3、XBL-4試件的滯回曲線形狀較為飽滿,沒有出現(xiàn)螺栓滑移,XBL-5、XBL-6試件出現(xiàn)了螺栓滑移,同時(shí)達(dá)到極限位移時(shí)的承載力分別為113.5kN、105.5kN,由此可見拼接位置對(duì)試件的內(nèi)力影響較大:當(dāng)懸臂梁段長度與梁高的比值在1.3~1.7之間時(shí),該新型梁柱裝配式節(jié)點(diǎn)在梁端位移為50mm左右時(shí),螺栓即出現(xiàn)滑移,節(jié)點(diǎn)的滯回曲線呈梭形,耗能能力較差;而當(dāng)其比值在2.0~2.8之間時(shí),節(jié)點(diǎn)的耗能能力較低,但當(dāng)其比值在1.7~2.0之間時(shí),節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出良好的延性及耗能能力。同時(shí)為了便于構(gòu)件的運(yùn)輸和安裝,建議懸臂梁段長度取1.7~2.0倍梁高為宜。3節(jié)點(diǎn)安裝的影響由等強(qiáng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的基本試件的延性和耗能能力較好,在此基礎(chǔ)上分別研究了螺栓數(shù)目、蓋板寬度及厚度、懸臂梁段長度對(duì)節(jié)點(diǎn)的極限承載力和延性的影響。得到以下結(jié)論: