循環加載下加腋節點力學性能有限元分析

中圖分類號：TB文獻標識碼：A文章編號：1008-925X(2011)08-0-01

摘要：本文以ANSYS 12.0為工具，模擬不同柱軸力時加腋節點的擬靜力試驗及常見柱軸力作用下普通節點擬靜力試驗。分析了加腋節點幾個關鍵部位的受力和軸力對其的影響，比較了加腋后節點性能的改變；得出加腋節點在不同軸力下滯回曲線、線位移延性系數等抗震性能指標，并分析了軸力對其影響。

關鍵詞：加腋節點 滯回曲線 塑性轉角

1.加腋節點簡介

加腋節點屬于加強型剛性節點，通過加腋迫使塑性鉸外移。加腋方式不同可以形成三種加腋節點：上下加腋式、下翼緣加腋式、整體加腋式，與其它兩種相比下翼緣加腋式不會影響樓板布置，構造相對簡單，它是在普通節點的基礎上增設腋梁形成的，腋梁所用材料一般與梁相同，傾斜角27-35度之間，文獻[1]指出腋的長度控制在梁高的0.65倍以內，高度控制在0.25倍以上，而SAC指南中指出腋梁的最佳高度為梁高的1/3，腋與梁和柱的連接一般采用角焊縫。

2.有限元模型的建立

文中普通節點來源于八度區、三類場地土上一幢鋼-鋼筋混凝土結構中間層鋼框架上的邊節點，結構層高3.6m，柱距7.2m，節點從梁、柱反彎點處實尺寸截取，柱、梁用鋼分別為Q235 HW428×407×20×35、Q235 H600×300×11×17，對此節點進行“強柱弱梁”計算后，可得出此節點滿足“強柱弱梁”要求的最大軸力為：N=0.43Afy，其中：A為柱截面積、fy為Q235鋼屈服應力。在此普通節點的基礎上按上文構造加腋節點：腋翼緣傾角取30度、高度200mm、長度346.4mm。

本文采用先建立幾何模型再劃分網格形成單元的方式建立有限元計算模型。為兼顧計算時間和精度，對節點切割后，采用solid45單元，用映射分網方法形成全六面體網格，并對節點域與腋梁范圍內梁柱局部進行加密。材料力學模型選用多線性隨動強化模型，因鋼材力學性能接近初始各向同性并要考慮幾何非線性的影響，所以在一個方向輸入真應力、真應變即可。這樣的處理后，普通節點共形成63264個單元，加腋節點共形成68704單元，考慮到節點按梁、柱弱軸形成的平面對稱，計算時取一半。

3.加載及求解

荷載施加于梁端單元主節點上、以位移控制，循環加載以屈服位移為倍數逐級遞增，當梁端位移小于屈服位移時，各級荷載循環一次；大于屈服位移后，各級荷載循環兩次。柱上軸力施加于柱頂，加腋節點取為0.3-0.8Afy，普通節點取0.4Afy。

求解器選擇預條件共軛梯度求解器（PCG)，疊代方法采用全牛頓-拉普生疊代法，同時采用力的收斂(cnvtol，f，，0.005，2，)與位移的收斂(cnvtol，u，，0.05，2，)來控制收斂精度，整個計算過程，未出現不收斂情況。

4.循環加載數據分析

4.1滯回與耗能性能

滯回曲線反映結構、構件在反復受力過程中的變形特征、剛度退化及能量消耗，是確定恢復力模型和進行非線性地震反應分析的依據。

0.3-0.6Afy軸力下，加腋節點的滯回曲線，飽滿、穩定、滯回性能良好，隨著循環周數的增加，剛度、強度有所降低，但都能夠完成8倍的屈服位移加載，在8倍屈服位移循環第二周正向加載時，因塑性鉸處局部屈曲變形過大而發生破壞，破壞時承載力有所降低，但降低不大；0.7-0.8Afy軸力下，能完成7倍屈服位移一次循環加載，曲線面積偏小，節點耗能能力下降。

普通節點在柱軸力為0.4Afy可以完成6倍屈服位移循環，7倍屈服位移加載時破壞，與相同軸力下加腋節點相比，滯回曲線面積較小，耗能能力弱。

4.2線位移延性系數

在結構與構件的抗震性能評估中，線位移延性系數也是一個重要指標，是通過梁端荷載-位移響應來評價延性的，計算式為 =/，其中、分別為荷載-位移曲線上破壞荷載對應的極限位移與屈服荷載對應的屈服位移。線位移延性系數越大，節點進入塑性后承受大變形的潛力就越大。

結果顯示，兩種節點在循環加載下線位移延性系數要低于單向加載下，這是由于塑性變形不斷積累而造成的，在柱軸力超過0.6Afy以后，隨軸壓比增大，線位移延性系數降低；在N=0.4Afy下普通節點與加腋節點相比，單向加載時線位延性系數相近，這是由于加腋節點屈服位移增大所致，而循環荷載下，普通節點要低于加腋節點。

4.3梁端塑性轉角

梁端塑性轉角的計算公式為：，其中：、、、分別為塑性轉角、梁端位移、荷載-位移曲線上的屈服位移、梁凈長。

經分析可以看出，塑性轉角在循環加載時比單向加載有所降低，除N=0.7、0.8Afy加腋節點外，都達到0.04rad的要求，但在N=0.4Afy時不管單向還是循環加載，加腋節點塑性轉角都比普通節點有所增大。

5.結 論

通過以上對比分析，可得如下結論：

5.1加腋不僅能使塑性鉸外移，還可擴大節點域、增大節點彈性剛度、屈服位移、極限位移、屈服荷載、極限荷載，提高節點耗能能力、梁端塑性轉角及線位移延性系數。

5.2柱軸力對加腋節點的影響存在一個上限值，本文中是0.6Afy，當柱軸力小于該值時，軸力增大只會增大柱的軸向應力；柱軸力大于該值后，會明顯影響加腋節點各項性能。

5.3節點加腋不能改變梁上翼緣與柱翼緣焊縫處的三向應力狀態（正向加載時為三向拉應力），但可使3個主應力明顯降低，使此薄弱部位得到一定保護；軸力增大，會使加腋節點此處3個主應力也增大。

5.4加腋節點在0.3-0.6Afy柱軸力時，滯回曲線飽滿、穩定，面積較大，有較強耗能能力，梁端塑性轉角可以達到0.04rad；0.7-0.8軸壓比，面積減小，耗能能力降低，梁端塑性轉角不能達到0.04rad；與加腋節點相比，普通節點滯回曲線所圍面積較小，耗能能力較弱。