波紋腹板鋼梁柱弱軸方向半剛性連接節點滯回性能

李清揚 閆冰川 孫建穎 陽瑩

摘要：對波紋腹板鋼梁柱弱軸方向半剛性連接節點的抗震能力進行分析，借助ANSYS構建有限元模型，在此之上完成仿真操作，獲得對應的滯回曲線以及相關的耗散系數。討論了梁腹板高度及腹板厚度對連接節點滯回性能的影響。結果表明：在加載的初始時期，加載和卸載對應的曲線幾乎完全相同，隨著荷載數值的逐漸增加，彎矩和轉角之間具有非常明顯的非線性關系，滯回環面積逐漸變大，可是滯回環的對角線對應的斜率卻逐漸變小，對應的連接節點的剛度逐漸變小;將節點的滯回性能作為衡量指標，發現腹板高度以及厚度對其產生的影響比較顯著。

Abstract： The aseismatic performance of semi-rigid connections of steel beam with corrugated webs in weak axis direction is analyzed， and the finite element model is built by ANSYS. On this basis， the corresponding hysteresis curves and relevant dissipation coefficients are obtained. The effects of beam web height and web thickness on hysteretic behavior of connections are discussed. The results show that the curves corresponding to loading and unloading are almost the same at the initial stage of loading. With the increase of load value， there is a very obvious nonlinear relationship between bending moment and rotation angle， the area of hysteresis curves increases gradually， but the slope corresponding to diagonal line of hysteresis curves decreases gradually， the stiffness of the corresponding joints gradually decreases; taking the hysteretic behavior of the joints as an index， it is found that the height and thickness of the web have a significant impact on the joint.

關鍵詞：波紋腹板鋼梁;柱弱軸;半剛性連接;滯回性能;能量耗散系數

Key words： steel beam with corrugated web;column minor axis;semi-rigid connections;hysteretic behavior;energy dissipation coefficient

中圖分類號：TU391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）35-0139-03

0? 引言

波紋腹板H型鋼梁具有優良的結構性能和顯著的經濟效益，應用日趨廣泛[1-2]。梁柱連接中的半剛性連接更符合實際受力性能[3]。鋼框架結構的抗震性能好，連接節點性能對鋼框架結構性能的影響至關重要。2017年，李國強、孫飛飛[4]對波紋腹板H型鋼的空間節點靜力性能進行了研究。同年，李清揚、趙立偉[5]對波紋腹板鋼梁柱強軸方向連接節點滯回性能進行了分析。目前關于波紋腹板鋼梁柱連接節點的研究大多是針對于強軸方向，關于弱軸連接的內容則相對較少。在結構框架系統里，通常縱向與橫向都能夠構建相應的框架，梁與柱腹板連接和與柱翼緣連接一樣普遍[6]。因為樓板設計的方案相對較多，弱軸連接對樓板整體性能產生的影響不容小覷[7]。所以分析弱軸連接的抗震能力對探究空間框架結構抗震性能具有重要意義。本篇文章將波紋腹板鋼梁柱作為研究對象，借助ANSYS分析方法，針對其弱軸半剛性外伸端板連接在抗震方面的能力完成具體的研究，獲得相關的滯回性能，并分別討論梁腹板高度及厚度對連接節點滯回性能的影響。研究結果對波紋腹板梁框架結構的抗震性能有一定的工程指導意義。

1? 模型建立

1.1 幾何模型? 本文所研究的模型與相關參數見圖1-圖4。參考《波紋腹板鋼結構技術規程》（CECS 291：2011）中的有關規定[8]，選擇的波紋腹板鋼梁類型為CWA500-200×12型，也就是梁腹板的高度為500mm，梁翼緣的寬度為200mm、厚度為12mm，腹板的厚度為4mm。柱的具體規格是H 350×350×12×19，梁的懸臂段長為2974mm，端板的厚度是24mm。螺栓使用的類型為10.9級M24型。此梁柱連接模型為基礎模型，定義為MAIN試件。

1.2 有限元模型

1.2.1 單元選取和材料特性? 有限元模型采用三維實體單元、預拉伸單元以及接觸單元，采用等向強化本構模型和米塞斯屈服準則。波紋腹板鋼梁、H型鋼柱、端板以及螺栓四個部分都使用四面體單元（Solid 92），梁、柱以及端板所用的鋼材型號為Q235，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比的具體數值是0.3。柱腹板以及端板之間的接觸面配置相應的接觸單元（Target 170和Contact 174），要求相關接觸面的抗滑移系數滿足0.40的要求。借助預拉力單位（PRETS 179）得到有關螺栓的預拉力[9]，參照《鋼結構高強度螺栓連接技術規程》（JGJ82-2011）[10]，將螺栓的預拉力數值確定為225kN。

1.2.2 網格劃分、邊界條件以及加載? 網格劃分結果如圖5、圖6所示。

試件的邊界條件依據真實狀況進行仿真：在柱的頂部位置，分別于x方向以及z方向施加約束;在柱的底部位置，分別在x、y以及z方向施加約束，為了避免梁側出現不穩固的問題，在懸臂梁端的z方向施加約束。x與y各自代表了梁軸方向、柱軸方向。

1.2.3 試件模型循環加載及破壞? 施加荷載時，要依據項目的真實進度狀況完成，先在螺栓所處位置施預拉力，然后在梁端位置反復施加荷載，將y軸的正向表示為正。關于模型的加載流程具體如表1所示。若滯回曲線出現下述現象，則能夠判斷相關試件受到損壞：①曲線有下降段出現，該段曲線所對應的斜率數值為負;②本級與上級循環相比，曲線對應的最大荷載數值相對較小[11]。

2? 能量耗散系數

對試件的能量耗散情況進行分析，應該使用滯回曲線圍成的面積，借助能量耗散系數E完成評估[11]，詳細的運算如式（1）以及圖7所示，E越大表明試件的耗能能力越強。

3? 影響滯回性能的參數分析

3.1 波紋腹板高度

調整MAIN模型的腹板高度，分別取500mm、550mm、600mm、650mm、700mm，得到5種模型（MAIN、P1-P4），對其分別模擬循環荷載下滯回性能并分析，結果如圖8所示。

依照圖8（a）-（e）不難得知，在循環荷載的影響下，MAIN對應的滯回曲線飽滿程度最大，滿足耗能以及抗震能力的要求。對應的循環荷載增大，滯回環能夠圍成的面積同樣增大，滯回環對應的對角線斜率相對減小。而總體來看，梁高越大，滯回曲線越不飽滿。

在初始加載階段，加載與卸載曲線一致且為一次函數。隨后不斷加大循環荷載，彎矩與轉角表現出顯著的非線性關系，對應的滯回環面積逐漸變大，可是滯回環對應的對角線斜率卻逐漸變小，呈現出剛度減小的趨勢。經過循環往復加載，節點強度沒有明顯的減弱，證明此腹板鋼梁柱弱軸方向相關的連接節點滿足抗震方面的要求。

改變波紋腹板高度值，試件的能量耗散系數和極限彎矩值如表2所示。由表2可見，波紋腹板高度越大，節點的極限彎矩值越大，但能量耗散系數越小。

3.2 波紋腹板厚度

取腹板厚度為2mm、3mm、4mm（Q1-Q2、MAIN）的3種試件進行對比，結果如圖9（a）-（c）所示。

圖9（a）-（c）可見，Q1的滯回曲線呈梭形但不飽滿，是由于Q1的腹板厚度過小，導致梁提前屈服。Q2、MAIN的滯回曲線更加飽滿，MAIN對應曲線的飽滿程度最大，因此，當腹板厚逐漸增加時，有關節點的滯回性能也同樣增大，而且發揮的作用更為明顯。

改變波紋腹板厚度值，試件的能量耗散系數如表3。由表3可見，波紋腹板厚度值越大，節點的能量耗散系數和極限彎矩越大。

4? 結論

①由MAIN模型弱軸連接節點滯回曲線可以看出，借助有限元仿真循環荷載產生的影響，對應的滯回曲線相對平穩、飽滿，滿足耗能以及滯回方面的要求。在加載的初始時期，加載與卸載曲線一致且為一次函數。隨后不斷加大循環荷載，彎矩與轉角表現出顯著的非線性關系，對應的滯回環面積逐漸變大，可是對應的滯回環的對角線斜率卻逐漸變小，呈現出剛度減小的趨勢。經過循環往復加載，節點強度沒有明顯的減弱，說明該MAIN試件節點具有較好的抗震性能。②梁腹板高度對弱軸連接節點滯回性能影響較大。波紋腹板高度越大，連接節點的能量耗散系數E越小，但是極限彎矩值反而增大。當腹板高逐漸上升，由500mm升至700mm時，能量耗散系數E降低12.8%，極限彎矩增大36.0%，變化較明顯，其中在腹板高度從600mm變為650mm時，能量耗散系數E變化最明顯;③梁腹板厚度對弱軸連接節點在滯回性能方面的影響比較顯著。波紋腹板對應的厚度越小，相關連接節點所對應的E值也逐漸減小，此時極限彎矩值也隨之降低。當梁腹板逐漸變薄，從4mm降至2mm時，能量耗散系數降低17.5%，極限彎矩降低10.2%，能量耗散系數變化顯著;④各組模型中，MAIN試件的500mm腹板高度取值是P組對應能量耗散系數E最大值，2mm腹板厚度取值是Q組對應能量耗散系數E最大值，對比得出，MAIN試件節點的抗震性能最好，因此，《波紋腹板鋼結構技術規程》中，CWA500-200×12尺寸選取十分合理，此型號波紋腹板鋼梁柱弱軸連接節點有良好的抗震性能，具有一般性、通用性。

參考文獻：

[1]ABBAS H H， SAUSE R， DRIVER R G. Behavior of corrugated web I-girders under in-plane loads[J]. Journal of Engineering Mechanics.2006，132（8）：806-814. DOI： 10.1061/（ASCE）0733-9399（2006）132： 8（806）.

[2]李國強，張哲，孫飛飛.波紋腹板H型鋼梁抗剪承載力[J].同濟大學學報（自然科學版），2009，37（6）：709-714.

[3]李國強，史文龍，王靜峰.半剛性連接鋼框架結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[4]孫飛飛，李國強.波紋腹板H形鋼空間節點靜力性能研究[J].建筑鋼結構進展，2017，19（1）：71-77.

[5]李清揚，趙立偉.波折腹板鋼梁柱半剛性外伸端板連接節點滯回性能研究[J].鋼結構，2017，4（32）：6-10.

[6]李清揚，孫建穎，劉遠鵬等.波折腹板鋼梁柱弱軸半剛性連接性能研究[J].鋼結構，2017，32（2）：36-41.

[7]王湛，王濤.半剛性鋼框架梁柱弱軸端板連接的試驗研究和有限元分析[J].土木工程學報，2012，45（8）：83-89.

[8]CECS 291： 2011，波紋腹板鋼結構技術規程[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[9]李清揚，任玉卓，劉遠鵬，等.波紋腹板H型鋼梁柱半剛性外伸端板連接性能研究[J].施工技術，2015，44（20）：96-99.

[10]JGJ82-2011，鋼結構高強度螺栓連接技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[11]JGJ/T 101-2015，建筑抗震試驗規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2015.