開孔位置對蜂窩鋼柱鋼梁節點抗震性能的影響

曾俊 翟章琳

【摘要】通過有限元模擬對蜂窩鋼柱與鋼梁節點的抗震性能進行研究。利用有限元軟件建立合理的有限元模型，對開孔率，孔心間距不變的蜂窩柱選取參數L和Z作為變化因素，在低周反復荷載作用下進行模擬，得到了不同參數L和Z下蜂窩鋼柱與鋼梁節點的滯回曲線、骨架曲線，并對其應力分析、延性及耗能性能、剛度退化進行對比與分析；結果證明：對于一定軸壓比（n=0.45）的蜂窩鋼柱與鋼梁節點，采用合適的開孔參數可控制塑性鉸的位置，避免節點發生脆性破壞。

【關鍵詞】蜂窩鋼柱與鋼梁節點；有限元分析；抗震性能；開孔位置

一、引言

這里蜂窩鋼柱是一種鋼管構件，特別是涉及一種用于土木工程中的開孔鋼管柱。該柱由在鋼管壁上開洞的鋼管構成。在空心鋼管柱鋼管側壁上開有孔洞。孔洞洞口形式可以為圓形、方形、多邊形。空心鋼管柱截面是矩形或圓形或多邊形。建筑物中建筑物框架結構的主要構件，也可作為電線桿的主要構件，具有承載力高，剛度大、重量輕，塑性、韌性好，抗沖擊和抗疲勞性能好，節約材料等特點。但對于這種新型結構體系的關鍵部位柱-梁節點的抗震性能的研究還不完善，因此本文擬對蜂窩鋼柱-鋼梁節點的抗震性能進行有限元分析，來為該新型鋼柱節點性能進一步研究和工程應用提供理論依據。

二、有限元模型的建立

利用有限元模擬軟件ABAQUS，對低周反復荷載作用下的蜂窩鋼柱與鋼梁節點抗震性能進行模擬分析。模型采用蜂窩柱高度為1400mm，蜂窩尺寸為70mm，鋼梁長度為800mm，其他尺寸見表1，鋼材型號為Q345，彈性模量為2.05×105Mpa，泊松比為0.3，屈服應力為328Mpa[1]。

圖1 整體模型圖 圖2 模型剖面圖

三、鋼材本構關系

鋼材的本構模型選用ABAQUS 中基于經典金屬塑性理論的等向彈塑性模型，并根據Von.Mises 屈服準則確定其在復雜應力狀態下的應力-應變關系。方鋼管柱及鋼梁材性參數取單向拉伸試驗測得的平均值，穿芯螺栓采用8.8級M20高強螺栓，高強螺栓屈服強度取 ，鋼材的應力-應變曲線均采用四折線型模型[2]，如圖3 所示。

圖3 鋼材應力-應變關系曲線

鋼材的應力-應變公式為：

當 時，

當 時，

當 時，

當 時，

上式中：

四、約束條件及荷載施加

試件的邊界條件根據實際情況模擬[3]：柱頂端施加x、z方向約束，底端試件x、y、z三向約束，為防止梁側向整體失穩，懸臂梁端施加z方向約束。x、y分別為梁軸方向、柱軸方向。如圖1所示，第一個分析步是在柱頂施加豎向荷載，其中軸壓比為0.45，柱頂軸壓力為1121.76kN，最后在梁端施加位移控制的水平往復荷載[4]，網格劃分如圖4所示：

（a）整體圖 （b）節點圖

圖4 構件網格劃分圖

五、有限元分析

（一）選取參數

（二）應力云圖

通過ABAQUS建立的模型的應力云圖[5]，如圖5所示：

（a） FWJD-1應力云圖 （b） FWJD-2的應力云圖

（c） FWJD-3的應力云圖 （d） FWJD-6的應力云圖

圖5 構件的應力云圖

圖5為四個構件的應力云圖，此時四個構件都已經破壞，但是從應力集中以及應力大小可以看出構件FWJD-1的應力主要出現在蜂窩孔洞邊緣處，構件FWJD-2和FWJD-3的應力主要體現在離接近節點的蜂窩孔洞邊緣及節點，而構件FWJD-6梁端以及節點處應力集中現象都比較嚴重，就是說梁和節點都發生了破壞。

（三）滯回曲線

滯回曲線是結構剛度退化、強度衰減、耗能能力及延性等抗震性能的綜合體現，曲線的飽滿程度與構件的耗能能力密切相關，是確定恢復力模型和進行非線性地震反應分析的依據[6]。在低周往復荷載作用下，可以得到結構的荷載-位移滯回曲線，圖6為蜂窩鋼柱鋼梁節點的P-Δ滯回曲線，可以看出：

（a） FWJD-1的滯回曲線 （b） FWJD-2的滯回曲線

（c） FWJD-3的滯回曲線 （d） FWJD-6的滯回曲線

圖6 構件的滯回曲線

試件FWJD-1、FWJD-2的滯回曲線相似，曲線平滑、飽滿，說明試件具有較好的延性性能和耗能能力。同一曲線正、反向走勢也相似，同一滯回圈中正、反向梁端豎向荷載值基本相等。說明節點在正、反向有相似的力學性能和抗震性能。從整體上看，在保證螺栓質量的情況下，反復荷載作用下蜂窩鋼柱-鋼梁節點具有穩定的承載能力和良好的變形能力。隨著荷載也就是位移幅值的增大，剪力的影響逐漸明顯，構件FWJD-3、FWJD-4的滯回曲線的捏縮現象也更加明顯。

（四）骨架曲線

低周往復循環荷載作用下，節點的滯回曲線每次循環的峰值點的連線即為骨架曲線，該曲線能夠反映出試件的屈服荷載與位移、極限荷載與位移等特征，同時它反映了在正反交替荷載作用下，結構或構件吸能耗能、延性、強度、剛度及退化等力學特征。圖7、圖8分別為改變參數L和N的情況下，蜂窩鋼柱-鋼梁節點的骨架曲線。

圖7 模型A骨架曲線 圖8 模型B骨架曲線

各骨架曲線走勢相似，都經歷了彈性階段、彈塑性階段和破壞階段，各階段的分界點分別是屈服荷載、極限荷載。當試件進入彈塑性階段后，梁端豎向荷載繼續增加但增速變緩，經過塑性強化達極限荷載 后，開始下降直至塑性破壞。說明節點主要受力部位發生屈曲塑性變形，大量的殘余塑性變形導致其剛度明顯衰減。

（五）延性及耗能分析

延性是指結構或構件屈服后的變形能力，它是衡量結構抗震性能的重要指標之一，通常用位移延性系數 來衡量， 值越大結構或構件延性越好。其定義為： （ 式中： 是節點破壞時對應位移， 是節點屈服對應位移）。 表4為開孔位置對蜂窩鋼柱-鋼梁節點的延性與耗能能力的影響。極限位移取自骨架曲線上最大荷載85%時對應得位移值，并且通過分析此點位移延性比來評定構件變形能力的好壞。

結構的耗能能力是評價這個結構的一個重要標準，結構的滯回曲線中滯回環所圍出的面積代表的就是這個結構的耗能能力的大小，通常用結構的等效粘滯阻尼系數來評價結構的耗能能力好壞，等效粘滯系數小耗能能力就不好，隨著等效粘滯系數的增大，結構的耗能能力也越來越大。等效粘滯系數 的計算公式如下：

式中： 為滯回環面積（取最后一個滯回環來計算）； 為滯回環頂點的荷載； 為滯回環頂點的位移值.取極限荷載所對應的柱端位移振幅下的滯回環進行計算。

五個構件的位移延性系數都大于2.0，延性性能較好。由上表計算得到的粘滯系數的計算結果可以看出，系數越大的構件耗能能力也越好。

（六）剛度退化

剛度退化是指在一定位移下，隨著循環次數的增加，結構或構件的剛度降低的過程；或者荷載峰值相同時，循環次數增加會使峰值位移也增加的性能[7]。計算公式為：

式中， 表示環線剛度； 表示位移延性系數為j時，第i次循環的峰值點荷載值； 表示位移延性系數為j時，第i次循環的峰值點變形值；n表示循環次數。

在循環荷載作用下，根據上述剛度退化的定義，如圖9所示：

圖9 剛度退化曲線

六、結論

（1）在這次模擬中四個構件模型共產生了兩種破壞形態，即FWJD-1、FWJD-2構件產生的梁端彎剪破壞，FWJD-3、FWJD-6構件梁端彎剪-節點剪切破壞。構件更加符合抗震設計：強節點弱構件。

（2）構件產生彎剪破壞，它們的滯回曲線較前兩個也更加飽滿，僅僅在加載到后期構件由于梁端的剪切變形的增大才產生了一些捏縮現象。構件發生的是彎剪-節點剪切破壞，它隨著節點裂縫的開展滯回曲線捏縮也更加明顯。此外五個構件的位移延性系數都是大于2.0的，并且FWJD-3、FWJD-5、FWJD-6位移延性系數大于FWJD-2、FWJD-4，位移延性系數越大，構件的耗能性能就越好，抗震性能也越好。

參考文獻

[1]王瑞鋒，賈連光，吳良等.蜂窩式鋼框架梁柱節點性能分析[J].《鋼結構》2010增刊，331-338

[2]李青山.圓孔蜂窩節點的有限元分析[D].沈陽建筑大學碩士學位論文.2007

[3]童根樹.鋼結構的平面外穩定[M].中國建筑工業出版社.

[4]王先鐵，馬尤蘇夫，王連坤，郝際平，羅古秋.方鋼管混凝土框架抗震性能試驗研究與非線性有限元分析[J].地震工程與工程振動，2013，33（4）：127-133

[5]徐亞豐，孫麗，白首晏，梁德志.ABAQUS工程實例模擬分析及詳解[M].2013

[6]顧強.鋼結構滯回性能及抗震設計[M].中國建筑工業出版社.

[7]何業玉.型鋼混凝土梁柱節點的抗震性能[D].合肥工業大學碩士論文.2012