斜撐對裝配式鋼框架梁柱節(jié)點抗震性能的影響

斜撐對裝配式鋼框架梁柱節(jié)點抗震性能的影響

0裝配式鋼結(jié)構(gòu)框架體系安裝建筑是指將建筑物所需的部件在工廠制造，然后運至施工現(xiàn)場的安裝建筑物。由于主要工作在工廠完成,改善了傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)周期長,材料浪費嚴(yán)重,施工過程污染大等缺點。裝配式鋼結(jié)構(gòu)框架體系常見的節(jié)點形式為帶拼接柱座梁柱拼接節(jié)點(圖1)。其中焊接節(jié)點是在工廠加工拼接主板時形成,桁架梁端通過端板與柱座焊接,它對于維持拼接主板的整體性起著重要的作用。栓接節(jié)點是在施工現(xiàn)場通過桁架梁端部高強螺栓與柱座連接形成。遠(yuǎn)大可建鋼結(jié)構(gòu)中大量采用在此種節(jié)點周圍設(shè)置斜撐加強的改進節(jié)點形式(圖2)。由于此拼接節(jié)點受力復(fù)雜,本文將通過運用ANSYS有限元軟件,分別對焊接和栓接的無斜撐和有斜撐的梁柱拼接節(jié)點進行數(shù)值模擬,對比分析這種拼接節(jié)點加入斜撐后對節(jié)點區(qū)域應(yīng)力分布以及承載力和抗震性能的影響。1模型和加載1.1螺栓預(yù)緊力作用機理分析為更好地模擬實際狀態(tài),本文根據(jù)分析特點,采用Solid187實體單元來建立模型。法蘭板之間、栓接節(jié)點的梁端與柱座之間的接觸面均采用Targe170單元和Conta174單元來模擬接觸,各部分摩擦面的抗滑移系數(shù)為0.35。采用等效力法,將高強螺栓預(yù)緊力等效成壓強荷載施加于接觸板件的有效面上來模擬螺栓預(yù)緊力作用。非線性分析中,采用修正的Newton-Raphson方法迭代求解增量平衡方程,打開自動時間步長。因有限元重點研究斜撐對節(jié)點性能的影響,故忽略焊縫缺陷、焊接殘余應(yīng)力等影響。構(gòu)件的具體尺寸見表1,有限元模型見圖3。1.2miso屈服準(zhǔn)則及流動法則采用多線性隨動強化模型來模擬鋼材的本構(gòu)關(guān)系,材料的屈服遵循vonMises屈服準(zhǔn)則及相關(guān)的流動法則。Q345鋼材的材料本構(gòu)關(guān)系見圖4,鋼材的彈性模量取為2.06×105MPa,泊松比為0.3,所有的構(gòu)件均采用Q345B鋼材。1.3節(jié)點受力分析地震作用下,鋼框架梁柱反彎點位置基本位于構(gòu)件中間位置,有限元分析時,梁取半跨,上、下柱各取一半層高。施加約束時,在上、下柱的端部建立剛性墊塊,通過對剛性墊塊表面的一條線施加約束來模擬上、下柱簡支,柱頂只容許發(fā)生軸向變形。由圣維南原理可知,這樣模擬邊界條件只影響柱端較小范圍內(nèi)應(yīng)力分布,對重點研究的節(jié)點應(yīng)力分布和節(jié)點的承載力影響較小。為了防止桁架梁發(fā)生平面外失穩(wěn),限制梁端節(jié)點的側(cè)向位移,在梁端加載點處,建立剛體傳力構(gòu)件用以施加和傳遞豎向荷載。為了得到較完整的荷載-位移曲線,將梁端剛體上表面的所有節(jié)點進行耦合,外力以位移的方式施加于耦合面的主節(jié)點上。擬靜力非線性有限元分析的加載制度采用層間側(cè)移角控制加載,近似取梁端轉(zhuǎn)角代替層間位移角,加載制度如圖5所示。2有限域計算與分析2.1滯回曲線對比梁柱節(jié)點在反復(fù)荷載作用下的荷載-位移曲線是其延性、耗能能力、強度、剛度等力學(xué)性能的綜合反映,圖6所示為各構(gòu)件梁端荷載-位移滯回曲線,可以看出,在開始的循環(huán)中,節(jié)點均處于彈性階段,剛度沒有明顯降低,卸載與加載曲線斜率接近平行,隨著荷載的增加,斜率減小,開始進入彈塑性,剛度退化,滯回曲線均出現(xiàn)捏縮現(xiàn)象。捏縮是指連接隨著梁端位移的增大,荷載卻沒有顯著增加,即連接剛度出現(xiàn)較大降低。對比圖6a、圖6b可以看出,對于栓接節(jié)點,不帶斜撐時,滯回曲線出現(xiàn)捏縮,滯回環(huán)扁長不豐滿,滯回環(huán)面積小,循環(huán)次數(shù)少,耗能能力弱。而加入斜撐之后,其滯回曲線呈現(xiàn)飽滿的紡錘形。說明斜撐的加入,使得栓接節(jié)點具有良好的滯回性能和耗能能力。對比圖6c、圖6d,對于焊接節(jié)點,無論節(jié)點是否設(shè)置斜撐,其滯回曲線均呈飽滿的梭形;滯回環(huán)包裹的面積大,吸收地震能量的能力強;且正負(fù)向的對稱性較好,剛度退化規(guī)律接近。設(shè)置支撐之后,其剛度退化速度明顯加快。分析產(chǎn)生差異的原因主要是節(jié)點設(shè)置斜撐之后,阻斷了荷載向節(jié)點域附近構(gòu)件的傳播,使得外荷載幾乎只由斜撐之外的桁架梁構(gòu)件承擔(dān),該處的構(gòu)件截面逐漸屈服,塑性累積增加,導(dǎo)致剛度迅速退化,但是其極限承載力得到了提高。2.2節(jié)點初始剛度圖7為有限元模型在循環(huán)加載下的骨架曲線?？梢钥闯?除了不帶斜撐的栓接節(jié)點外,其余各構(gòu)件在整個加載過程中經(jīng)歷了直線彈性上升段、屈服階段、塑性非線性階段及破壞下降段(除了栓接不帶支撐的節(jié)點由于梁端與柱座脫離極早發(fā)生破壞沒有下降段外)。同時,比較各節(jié)點的骨架曲線可知,設(shè)置斜撐的節(jié)點,曲線斜率比較大,說明節(jié)點的初始剛度有了顯著提高。對比栓接帶斜撐節(jié)點與焊接帶斜撐節(jié)點骨架曲線可知,兩條骨架曲線基本重合,說明斜撐的設(shè)置能夠很好地保護節(jié)點域,節(jié)點的承載力以及延性等特性與節(jié)點具體的拼接方式(焊接或栓接)關(guān)系不大。2.3提高節(jié)點的承載力由有限元模型的骨架曲線可以得到的屈服荷載、極限荷載以及延性系數(shù)值如表2所示?？梢钥闯?斜撐的設(shè)置,使節(jié)點的承載力有了很大的提高,對于栓接節(jié)點,提高了3倍多,焊接節(jié)點提高了約50%。一般認(rèn)為節(jié)點的延性系數(shù)達(dá)到3.0以上即滿足抗震設(shè)計要求,由此可見,除不帶斜撐的栓接節(jié)點外,其余節(jié)點形式均具有良好的延性和耗能能力。2.4局部破壞節(jié)點圖8所示為各節(jié)點破壞形態(tài)的有限元結(jié)果,可以看出:1)栓接不帶斜撐節(jié)點。圖8a為放大10倍之后的等效Mises應(yīng)力圖,可以看出,桁架梁端部上翼緣最先達(dá)到屈服,由于桁架梁與柱座采用高強螺栓連接,隨著梁端荷載的增大,產(chǎn)生了桁架梁端上翼緣弦桿與柱座分離的現(xiàn)象,節(jié)點隨之破壞。2)栓接帶斜撐節(jié)點。加斜撐之后,破壞位置由梁端向外轉(zhuǎn)移,最終由位于支撐之外的桁架梁翼緣槽鋼和腹桿角鋼發(fā)生局部屈曲而破壞。如圖8b所示。3)焊接不帶支撐節(jié)點。如圖8c所示,焊接不帶支撐的節(jié)點應(yīng)力分布比較均勻,構(gòu)件利用率比較高。節(jié)點由于桁架梁端第一根腹桿發(fā)生嚴(yán)重屈曲而破壞,破壞位置集中在梁端。4)焊接帶斜撐節(jié)點。此節(jié)點破壞形態(tài)與栓接帶斜撐節(jié)點相似,最終都由位于支撐之外的桁架梁翼緣槽鋼和腹桿角鋼發(fā)生局部屈曲而產(chǎn)生破壞。如圖8d所示。由此可知,斜撐的設(shè)置,可改變塑性鉸產(chǎn)生的位置,使節(jié)點破壞由梁端轉(zhuǎn)移到斜撐之外的桁架梁上,使節(jié)點連接處破壞變?yōu)殍旒芰簶?gòu)件破壞,起到了保護節(jié)點的作用。3節(jié)點的滯回曲線特征在節(jié)點自1)節(jié)點加上斜撐后,栓接節(jié)點的承載力提高了3倍多;焊接節(jié)點的承載力提高了約50%,延性系數(shù)提高了約70%。初始剛度也有了很大程度的提高,且節(jié)點的滯回曲線更加飽滿,吸收地震能量的