改進型節點鋼框架整體模型的抗震性能對比分析

張艷霞， 王宗洋， 寧　廣， 李佳睿

(1.北京建筑大學 土木與交通工程學院，北京　100044；2.北京建筑大學 工程結構與新材料北京市高校工程研究中心，北京　100044)

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改進型節點鋼框架整體模型的抗震性能對比分析

張艷霞1,2， 王宗洋1， 寧廣1， 李佳睿1

(1.北京建筑大學 土木與交通工程學院，北京100044；2.北京建筑大學 工程結構與新材料北京市高校工程研究中心，北京100044)

針對鋼框架梁柱加寬型節點、削弱型節點和加寬-削弱型節點，在已經完成了三種改進型梁柱節點試驗與有限元分析的基礎上，采用ABAQUS有限元軟件建立了8層三種改進型節點框架和普通剛接框架模型，對其進行模態和8度罕遇地震作用下的動力時程分析，并詳細對比分析四種鋼框架的抗震性能。分析結果表明：與剛接框架相比，三種改進型節點框架在8度罕遇地震下實現了節點塑性鉸外移，保護了梁端焊縫。與節點削弱型框架相比，節點加寬-削弱型框架有效的控制了結構的層間位移角；與節點加寬型框架相比，節點加寬-削弱型框架對結構基底剪力影響不大，柱腳和節點域塑性應變小于節點加寬型框架，因此具有更為可靠的抗震性能。

節點削弱型鋼框架；節點加寬型鋼框架；節點加寬-削弱型鋼框架；動力時程分析；抗震性能

傳統的鋼框架節點栓焊連接方式在1994年的Northridge地震和1995年的Kobe地震中，梁、柱翼緣相交處的焊縫區域均出現了嚴重的脆性破壞[1-2]，國內外學者對鋼結構節點進行了較多的研究[3-9]，其中加強型和削弱型兩種改進型節點能夠使塑性鉸外移到梁上，有效保護了梁端焊縫，避免節點的脆性破壞。我國“多、高層民用建筑鋼結構節點構造詳圖:01SG519”[10]中推薦了幾種典型的改進型節點，包括楔形蓋板加強、梁端下部加腋、梁翼緣楔形板加寬等加強型、“犬骨式”削弱型及栓焊擴翼(或蓋板加強)-翼緣削弱等既加強又削弱的節點。課題組對其中單純加寬型和單純削弱型及加強-削弱型梁柱節點進行了試驗研究。研究表明三類節點可以實現塑性鉸外移，保護梁端焊縫、提高節點延性及耗能能力的目的。加強-削弱型梁柱節點結合單純加強和單純削弱節點的優勢，以求在基本保證節點原有強度的同時，實現塑性鉸外移的耗能機制。但是三類改進型節點應用于鋼框架時，其整體結構的抗震性能還需要進一步考察研究。本文在以往研究基礎上，根據某工程實例設計了節點改進型的鋼框架結構算例。應用ABAQUS有限元軟件，對采用單純加寬型、單純削弱型及加強-削弱型三類改進型節點的鋼框架整體結構抗震性能進行分析，并與普通剛接鋼框架的受力性能進行對比，為進一步深入研究和應用該類節點提供理論基礎。

1　有限元計算模型

1.1設計算例

工程實例為北京西部某設計研發的辦公樓群，選用其中某獨立辦公樓進行建模。辦公樓為鋼框架結構，橫縱向均為3跨，每跨6 m，其中橫向梁端端部懸挑1.5 m，橫向總跨度為21 m，縱向總跨度為18 m。每層層高均為3.9 m，共8層。平面圖見圖1。本工程建筑安全等級為二級，抗震設防烈度8度，結構設計使用年限為50年，抗震設防類別為丙類，場地類型為Ⅱ類，設計地震分組第一組。結構阻尼比為0.05。取用樓面恒載(包括結構自重)為6.0 kN/m2，屋面和樓面活載均取3.0 kN/m2，雪荷載按北京地區100年一遇取0.45 kN/m2。

圖1　結構平面圖Fig. 1 Plane schematic of structure

根據“建筑抗震設計規范:GB 50011—2010”[11]，在滿足鋼框架結構小震時層間位移角不大于1/250限值的前提下，考慮框架柱截面設計滿足大于節點梁端擴翼后尺寸及強柱弱梁的要求，確定了普通剛接節點鋼框架的截面尺寸。參考劉其祥等[12]推薦的改進型節點計算方法，在原有的普通剛接節點基礎上，對梁翼緣分別進行加寬、削弱以及加寬-削弱的局部改進，具體尺寸見圖2，共設計了普通剛接框架(Rigid Steel Frame,RF)、節點削弱型框架(Reduced Beam Flange Steel Frame,RBF)、節點加寬型框架(Widened Beam Flange Steel Frame,WBF)，和節點加寬-削弱型框架(Widened-Reduced Beam Flange Steel Frame,WRBF)。

圖2　四種節點的構造詳圖Fig.2　Four connections’ construction details

1.2有限元建模

采用ABAQUS建立RF、RBF、WBF、WRBF四種鋼框架的三維有限元線單元模型(見圖3)。

梁柱單元采用能考慮剪切變形的二次差值鐵木辛柯(Timoshenko)梁單元B32，樓板單元采用S4R殼單元[13]。為了保證整體模型具有一定的計算精度和計算效率，柱單元和樓板的網格種子間距均定為1 m左右，梁單元整體網絡種子間距為1 m，靠近柱端局部加密為0.25 m。忽略了次梁的影響。在整體結構模型中，采用連接單元中的beam連接器，同時約束節點處的6個自由度實現節點的剛接特性。樓板與梁的約束關系為綁定(Tie)。

在部件模塊中對梁線單元改進部位進行基準點拆分，在屬性模塊中分別創建加寬、削弱、普通梁剖面，分別定義到梁線單元指定部位，實現改進型梁柱節點的建模，采取三等分漸變截面的形式對削弱處進行模擬，具體尺寸見圖4。

圖3　鋼框架三維有限元模型Fig.3　Three-dimensional FEA model of steel frame

圖4　四種節點的有限元建模Fig.4　Four connections’ construction details

1.3參數定義

梁柱選用Q345B鋼材，考慮鋼材的包辛格效應，采用雙折線隨動強化模型。樓板的強度等級為C30，按彈性材料考慮，彈性模量為3.0×104MPa。重力荷載代表值按“1.0×恒載+0.5×活載(雪載)”計算，在建模時通過改變樓板的密度加以考慮[13-16]。

1.4邊界條件與荷載施加

結構模型的柱底設為固接，約束6個自由度，地震力通過慣性力的方式直接對整體結構施加水平加速度時程，計算多遇地震(0.07 g)、設防地震(0.2 g)和罕遇地震(0.4 g)三種情況。主體建筑結構地震動參數依據“建筑抗震設計規范:GB 50011—2010”取值。

1.5模態分析與地震波的選取

通過有限元模型的建立，對四種鋼框架整體結構進行模態分析，分別計算RF、RBF、WBF與WRBF四種鋼框架前18階頻率和周期。從振型結果可知四種鋼框架各階振型保持一致，前兩階振型均為Z方向與X方向平動，第三振型為扭轉。由此可見，改進型梁柱節點并沒有改變結構的原有振型。表1為四種框架前六階自振周期。從表1可知，WBF框架由于梁端翼緣局部加寬后相比RF框架剛度增加，周期變小。RBF框架梁端翼緣局部削弱，相比RF框架剛度降低，周期增大。WRBF框架剛度介于WBF與RBF框架之間，各階周期與RF框架較為接近，符合剛度變化規律。

表1　RF、RBF、WBF和WRBF框架前六階自振周期對比

地震動時程曲線來自于ATC-63報告[17]建議的22條遠場地震的三維地震動數據以及實際工程中常用的EL-Centro地震動、Taft地震動數據和4條汶川地震動數據。根據“建筑抗震設計規范:GB 50011—2010”的5.1.2條的要求進行彈性時程分析，選取滿足規范要求的五條地震動時程曲線(見表2)。進行ABAQUS結構有限元時程分析時，采用這5條地震動的雙向水平分量，將地震動加速度幅值分別調整為0.07 g(8度多遇地震)、0.2 g(8度設防地震)和0.4 g(8度罕遇地震)，在模型中主方向為X向，次方向為Z向，次方向幅值按1∶0.85縮放[18]。

表2　時程分析選用的5條地震動基本數據

2　8度罕遇地震(PGA=0.4 g)分析結果

8度多遇地震時四種鋼框架層間位移角均滿足現行規范1/250的要求，結構基本保持彈性，四種節點鋼框架抗震性能基本接近。8度設防地震時，大部分構件仍處于彈性狀態，平均塑性耗能占總能量不足2%，此處不再贅述。現對8度罕遇地震情況下進行對比分析。

2.1框架層間位移角對比分析

表3列出了在5條地震動作用下，四種鋼框架主次方向的最大層間位移角。圖5為四種鋼框架在EQ23、EQ10和EQ8的8度罕遇地震作用下主次兩個方向各層層間位移角的包絡曲線。在8度罕遇地震下，四種鋼框架底部一層、二層的位移響應基本一致，最大層間位移角位于二層～三層。由表3可知，在8度罕遇地震下，RBF框架的最大層間位移角基本大于RF框架，在EQ8與EQ23地震動作用下，RBF框架次方向的層間位移角均有較大程度超過“抗震設計規范:GB 50011—2010”中對鋼結構在罕遇地震下彈塑性層間位移角1/50的限值，這主要是由于RBF框架梁翼緣進行了局部削弱處理，結構剛度下降導致了層間位移角的上升。WRBF框架層間位移角與RF框架基本接近。WBF框架由于節點梁翼緣擴大導致結構剛度增大，層間位移角較小于RF框架。

表3　8度罕遇地震作用下四種鋼框架最大層間位移角

圖5　8度罕遇地震作用下四種鋼框架各層最大層間位移角Fig.5　Comparison of maximum story drift of four frames under 8-degree rare earthquake

2.2框架基底剪力對比分析

表4總結了8度罕遇地震條件下5條地震動作用下的結構最大基底剪力。圖6為四種鋼框架在EQ23、EQ10和EQ8作用下的基底剪力時程曲線。由表4和圖6可知，WBF框架最大基底剪力大于RF框架，最大高于RF框架18%；WRBF框架基底剪力基本接近RF框架，基底剪力正負差距不大于3.4%；相比RF框架，RBF框架基底剪力下降幅度較大，最大基底剪力的降幅達13.37%，這是由于RBF框架剛度下降導致的。四種鋼框架基底剪力走勢符合剛度變化規律。

表4　8度罕遇地震作用下四種鋼框架最大基底剪力

圖6　8度罕遇地震作用下四種鋼框架基底剪力時程曲線Fig.6　Base-shear force time-histories of four frames(PGA=0.4 g)

2.3結構能量與等效塑性變形分析

建筑結構在承受地震動時，結構吸收的總能量由結構自身耗能(EWK)、動能(EKE)、彈性應變能(ESE)三個部分組成，其中耗能分為塑性耗能(EP)與阻尼耗能(EV)。塑性耗能是結構恢復力在結構非彈性變形下所做的功，阻尼耗能是由結構的各種阻尼力所做的功。

結構在5條地震動作用下，峰值加速度0.4 g動力時程結束后的能量分布見表5。以EQ23為例，圖7和圖8分別為EQ23地震動作用下結構的總輸入能時程曲線和總耗能時程曲線。由圖7可知，8度罕遇地震下四種鋼框架結構平均最大總輸入能是8度設防地震時的3.6倍。 RBF框架中期6 s到10 s輸入能量小于RF框架，降幅是RF框架的7.12%，但后期總輸入能接近RF框架；WBF框架在整個時程分析中總輸入能平均超RF框架2.8%，最大漲幅為7.8%，是四種鋼框架中輸入能量最大的結構；WRBF框架的總輸入能與RF框架基本保持一致。此時已有部分結構進入塑性，引入塑性耗能比的概念，塑性耗能比等于塑性耗能與結構總輸入能量之比。圖9與圖10為四種鋼框架的塑性耗能比與塑性耗能的時程曲線。取鋼框架二層某中跨節點進行等效塑性應變分析，RBF、RF、WBF和WRBF框架分析結果見表6～表9。表10列出了8度罕遇地震作用下四種鋼框架的最大等效塑性應變值。

圖7 四種鋼框架總輸入能量Fig.7Comparisonofinputenergyoffourframes圖8 四種鋼框架總耗能Fig.8Comparisonofenergydissipationoffourframes

圖9 四種鋼框架塑性耗能比Fig.9Comparisonofplasticenergydissipationratiooffourframes圖10 四種鋼框架塑性耗能Fig.10Comparisonofplasticenergydissipationoffourframes

表5　8度罕遇地震下四種鋼框架的能量耗散表

由圖9與圖10可知，RBF框架的塑性耗能與塑性耗能比高于RF框架，結構塑性變形較大。塑性耗能為RF框架的1.22倍。如表6～表7所示。在大部分地震波作用下，當RF框架節點域出現塑性變形時，RBF框架的節點域大部分仍保持彈性。對比節點梁段，RBF框架節點梁端等效塑性應變均小于RF框架。從表6～表7可知，RBF框架截面削弱處等效塑性應變大于節點梁端塑性應變，塑性鉸發生在梁翼緣削弱最深處。由此可知，在8度罕遇地震下，RBF框架有效的實現了節點處的塑性鉸外移。RBF框架靠近節點區梁端塑性應變小于RF框架的梁端，也說明RBF框架有效的保護了梁端焊縫。由表10可知，RBF框架的柱腳最大塑性小于RF框架，平均柱腳等效塑性應變降幅30%。由此可見，在罕遇地震作用下，RBF的主要塑性耗能發生在節點梁段的翼緣削弱處，但翼緣削弱處的塑性損傷較大。

表6　 8度罕遇地震下RBF框架二層某中跨節點等效塑性應變

表7　8度罕遇地震下RF框架二層某中跨節點等效塑性應變

由圖9與圖10可知，WBF框架的塑性耗能小于RF框架，降幅為10.8%。從表7～表8二層某中跨節點塑性應變中可知，WBF框架節點梁端等效塑性應變小于RF框架節點梁端。對比梁段各處塑性應變發現，塑性鉸發生在梁翼緣加寬的末端，等效塑性應變與RF框架梁端基本一致，因此WBF框架實現了塑性鉸外移，保護了梁端焊縫。由表10可見，WBF框架的柱腳，節點域的最大等效塑性應變皆大于RF框架，這是由于WBF梁端翼緣加寬后結構承載力增大導致的。由此可見，在8度罕遇地震下，雖然WBF框架梁端等效塑性應變小于塑性鉸區域，但比較RF框架，加寬型節點增大了節點域和柱腳的塑性變形。

表8　8度罕遇地震下WBF框架二層某中跨節點等效塑性應變

由圖9與圖10可知， WRBF框架的塑性耗能與RF框架更為接近。由表7～表9可知，二層某中跨節點處WRBF框架梁端等效塑性應變小于RF框架，翼緣削弱最深處等效塑性應變大于梁端，塑性鉸發生在梁翼緣削弱最深處。由此可見，WRBF框架在實現了節點處的塑性鉸外移的同時保護了梁端焊縫。

WRBF框架節點域等效塑性應變接近RF框架，塑性應變較小。由表10可知，WRBF結構柱腳塑性應變與RF框架基本接近，塑性鉸區最大等效塑性應變大于RF框架梁端。由此可見，在8度罕遇地震作用下，WRBF與RF框架塑性耗能量保持一致，節點的耗能由梁端轉移到了梁翼緣削弱處的塑性鉸區域；相比WBF框架，WRBF框架對節點域的塑性變形影響較小。

表9　8度罕遇地震下WRBF框架二層某中跨節點等效塑性應變

表10　8度罕遇地震作用下四種鋼框架最大等效塑性應變值(PEEQ)

3　結　論

本文采用ABAQUS有限元軟件建立了8層普通剛接框架、節點削弱型框架、節點加寬型框架、節點加寬-削弱型框架四種模型，對其進行模態和8度罕遇地震作用下的動力時程分析，并詳細對比分析四種鋼框架的抗震性能。得出以下結論：

(1) 與普通剛接框架相比，節點削弱型框架在8度罕遇地震作用下梁端削弱處塑性變形較大，結構塑性耗能比大，實現了塑性鉸外移，保護了梁端焊縫。但由于梁翼緣的進行了局部削弱，結構抗側剛度小于普通剛接框架，層間位移角較大。

(2) 與普通剛接框架相比，節點加寬型框架在8度罕遇地震下塑性鉸發生在梁翼緣加寬的末端，實現了塑性鉸外移，保護了梁端焊縫。但由于節點梁端翼緣加寬后，結構剛度大于普通剛接框架，在控制了層間位移角的同時，加大了結構的基底剪力，節點域與柱腳的塑性應變均顯著增大。

(3) 節點加寬削弱型框架在8度罕遇地震下實現了節點塑性鉸外移，保護了梁端焊縫。節點加寬-削弱型框架的剛度介于節點削弱型與節點加寬型框架之間，接近普通剛接框架。與節點削弱型框架相比，節點加寬-削弱型框架有效的控制了結構的層間位移角。與節點加寬型框架相比，節點的加寬-削弱處理對結構基底剪力影響不大，且柱腳和節點域塑性應變小于節點加寬型框架。因此具有更為可靠的抗震性能與更為顯著的經濟優勢。

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Seismic performance comparison of steel frames with improved beam-column connections

ZHANG Yanxia1,2, WANG Zongyang1, NING Guang1, LI Jiarui1

(1. School of Civil and Transportation Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China；2. Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Structural Engineering and New Materials，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China)

Based on the experiment and finite element analyses on some improved connections, including the reduced beam flange connection, widened beam flange connection and widened-reduced beam flange connection, the finite element models of three steel frames with these connections as well as the rigid frame were built by using ABAQUS software. The modal analysis and the dynamic time-history analysis of the steel frames were carried out to compare their seismic behaviors with that of the rigid frame. The analysis results indicate that in the three improved steel frames, the plastic hinge could be shifted away from the panel zone to protect the welded seam at the beam end under a 8-degree rare earthquake. Compared with the reduced-beam flange steel frame, the widened-reduced beam flange steel frame can control more effectively the story drift. Compared with the widened-beam flange steel frame, the widened-reduced beam flange steel frame has less influence on the base shear force and leads to the smaller development of plastic strain in the column base and panel zone. Therefore, the widened-reduced beam flange steel frame has better seismic behavior.

reduced beam flange steel frame; widened beam flange steel frame; widened-reduced beam flange steel frame; time-history analysis; seismic behavior

國家自然科學基金面上項目(51278027);北京市自然科學基金資助項目(8131002)；北京節能減排關鍵技術協同創新中心

2015-08-07修改稿收到日期：2016-01-12

張艷霞 女，博士，副教授，1970年生

E-mail:zhangyanxia@bucea.edu.cn

TU375.4

A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.14.025