加強與削弱復合型節點力學性能研究

王安安 ，董新元 （河北建筑工程學院，河北 張家口 075000）

0 前言

鋼框架腹板開圓孔節點不僅可以實現塑性鉸的轉移，減緩梁柱焊接節點處的應力，而且腹板開圓孔處還有利于設備安裝管線的穿插，降低層高[1-2]。但由于鋼梁在腹板開孔處削弱過多，導致構件承載力不足，變形過大，故需要對腹板開孔部位進行補強。我國規范[3]針對腹板開圓孔節點提出了在腹板開孔處設置套管、環形加勁肋、環向板等補強措施。楊應華、吳言亮等[4]對鋼梁腹板開圓孔處設置鋼套管節點進行了有限元分析，結果表明，該節點抗震性能優越，既能滿足塑性鉸從梁柱焊縫處轉移到腹板開孔范圍內，又能滿足節點承載力的要求。張小林、劉二浩[5]等提出了鋼套管加強梁腹板開圓孔梁柱端板連接的削弱型節點形式，并利用數值模擬軟件進行了抗震性能分析，得出了此種節點峰值承載力較高，梁柱焊縫處的應力分布較為均勻，同時塑性鉸實現了轉移，節點受力較為合理。廖文遠、周東華[6]等對腹板開孔節點提出在孔洞處設置人字形加勁肋、圓弧形加勁肋，并運用數值分析軟件ANSYS分析了其抗震性能，結果表明，人字形加勁肋、圓弧形加勁肋較傳統的補強方式延性稍差，但節點承載力提高顯著，腹板開孔處的變形減小，滿足了實際工程的需要。

可見，通過對削弱部位進行加強，可以提高節點承載力的同時，還可以降低節點處的等效塑性應力，本文針對腹板開圓孔節點的不足，提出了一種新型補強方式:槽形鋼板補強，通過在鋼梁開孔腹板兩側設置槽鋼，一方面使削弱部位得到了加強，另一方面有不影響設備管線的穿插，如圖1所示，并用有限元軟件ANSYS模擬分析其力學性能，為廣大設計人員提供了參考依據。

圖1 槽鋼加強腹板開圓孔復合型節點

1 有限元分析

1.1 分析模型創建

本文創建了兩個節點模型進行有限元分析，分別為RBW-base、RBW-U。分析模型中梁、柱、柱腹板加勁肋、槽鋼的截面尺寸見表1。

1.2 材料屬性及模型網格劃分

分析模型均采用Q235鋼材，鋼材的本構模型采用三線性模型，并考慮鋼材強化段的影響，鋼材的彈性模量E=2×105N/mm2，屈服強度為 f=294MPa，屈服應變為εy=0.0013，極限強度fu=415MPa,極限應變為 εu=0.22，泊松比v=0.29。模型有限元網格劃分采用solid92單元，并在節點及腹板開孔區域網格劃分加密，網格劃分尺寸為20mm，其余部分采用稀疏網格，網格尺寸為50mm，減小了計算所需的時間。

1.3 約束條件及加載方式

柱上下端為鉸接，故施加X、Y、Z三個方向的自由度，梁柱采用“綁定接觸”來模擬焊接。加載方式采用位移加載，單調加載時，位移加載至120mm，共分40個荷載步加載完成，每個荷載步增量為3mm。循環加載時，以層間位移角控制加載，具體加載制度參考美國抗震規范[7]。y

2 單調荷載下的性能分析

2.1 承載力及延性系數

表2為模型 RBW-base、RBW-U的承載力及延性系數。從中可以看出，模型 RBW-U的承載力為 387.41kN,較RBW-base模型提高了88%，屈服位移、極限位移分別提高了 67.6%、138%，延性系數提高了42.86%，增幅效果較為明顯，說明在腹板削弱部位設置槽鋼，節點的力學性能得到了提升。

2.2 荷載-位移曲線

分析模型參數 表1

承載力及延性系數 表2

圖2 各模型荷載-位移曲線分布對比

圖2為各模型荷載-位移曲線分布對比，從圖中可以得出RBW-U模型的峰值承載力、屈服位移、極限位移較基本模型均大幅度提高，當進入彈塑性階段時，RBW-base荷載-位移曲線出現了明顯的突降，剛度退化現象嚴重，而RBW-U模型在塑性階段比較平穩，剛度退化速率小，說明加強與削弱復合型節點的剛度較基本模型增加。

2.3 破壞模式

圖3為各模型加載至0.04rad時的破壞模式，從圖中可以看出，當加載至0.04rad時，RBW-base模型在腹板開孔區域由于截面削弱過多，抗剪、抗彎承載力不足，導致腹板發生了嚴重變形，試件的剛度退化較大，試件破壞，而RBW-U模型加載至0.04rad時，在腹板開孔位置幾乎無屈曲變形，孔洞形狀變化較小，說明設置槽鋼增加了削弱部位的剛度，延遲了構件破壞所需的時間，增加了節點的延性。

圖3 各試件破壞模式

3 循環荷載下的性能分析

3.1 滯回曲線

圖4為各模型的滯回曲線，從圖中可以看出，各模型滯回曲線都較為飽滿，無明顯的捏攏顯現，但模型RBW-U的滯回曲線所包圍的面積顯著大于基本模型RBW-base，并且RBW-U的滯回曲線呈紡錘形，無明顯遲滯現象，而RBW-base模型滯回曲線呈梭型，加載至后期由于腹板發生了嚴重的變形，導致構件剛度退化嚴重，故滯回曲線發生了嚴重的滯后現象，在地震作用下耗散的能量較小，耗能性能顯著低于RBW-U模型。

3.2 骨架曲線

圖5為各試件骨架曲線分布對比，從圖中可以看出，模型RBW-U的承載力、屈服位移、極限位移均較基本模型有較大提高，呈線性分布；在彈塑性階段，RBW-U模型的骨架曲線較基本模型RBW-Bbase幾乎呈平直線分布，下降速率較緩，說明試件剛度退化現象得到了控制。

圖4 各模型滯回曲線

圖5 各試件骨架曲線對比分析

4 結論

通過運用有限元軟件ANSYS對兩個模型的承載力、位移延性系數、構件破壞特征、骨架曲線、滯回曲線等進行了對比分析，可以得出如下結論。