鋼框架梁柱節(jié)點加腋加固方法研究

陳 濤 沈正偉 崔海濤 黃炳生

（南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 211816）

0 引 言

某鋼框架結(jié)構(gòu)房屋為3跨3層建筑，現(xiàn)澆混凝土樓屋面，梁柱連接設(shè)計采用腹板螺栓連接、翼緣全熔透對接焊接的剛性節(jié)點，但施工單位沒有按照設(shè)計和規(guī)范要求焊接，鋼梁翼緣與柱翼緣有些沒有對接焊接，有些通過附加板、塞鋼筋與柱翼緣焊接，焊接質(zhì)量差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全性不能滿足要求。由于混凝土樓屋面已經(jīng)澆筑，且鋼梁翼緣與柱翼緣間隙有些過大或過小，無法對焊縫進(jìn)行補(bǔ)焊。而建筑使用功能的要求，又不能增設(shè)柱間支撐，因此需要研究梁柱連接節(jié)點如何進(jìn)行加固達(dá)到梁柱剛性連接，以保證整體結(jié)構(gòu)的安全。本文提出采用梁端加腋方法進(jìn)行加固，分別對三角形腋、矩形腋及組合腋加固梁柱連接節(jié)點后的受力性能進(jìn)行有限元分析，為實際工程加固提供依據(jù)。

針對1994年美國北嶺（Northridge）地震中出現(xiàn)的大量鋼框架梁-柱剛性連接脆性斷裂的現(xiàn)象，許多學(xué)者提出了改善節(jié)點性能的構(gòu)造方法，梁端加腋是其中方法之一。Uang對4個地震前抗彎連接足尺試驗破壞節(jié)點在梁下翼緣加三角腋修復(fù)后，循環(huán)性能得到明顯改善，但需對上翼緣要么加強(qiáng)，要么采用高韌性焊縫替代原焊縫［1］，下部三角形加腋試驗顯示比僅梁下翼緣削弱試件性能要好，在上翼緣為地震前焊縫條件下，當(dāng)塑性轉(zhuǎn)動為0.012～0.02弧度時試件斷裂，但上翼緣焊縫斷裂后，強(qiáng)度退化慢，加腋仍與柱和梁下翼緣連在一起［2-3］。有組合樓板的加腋試件表現(xiàn)出卓越的性能，連接的塑性轉(zhuǎn)角超過了0.027～0.03弧度而沒有焊縫斷裂［2～4］。Lee等［5］提出了焊接直腋抗彎連接的簡化分析模型和細(xì)部構(gòu)造建議。Asada等［6］提出了采用高強(qiáng)度螺栓和焊接連接的梁端矩形加腋，可以防止梁端焊縫斷裂，節(jié)點的累積塑性變形能力比未加固節(jié)點大1.5～2倍。

國內(nèi)對鋼框架加腋節(jié)點也開展了研究。與目前流行的削弱梁截面的改進(jìn)型節(jié)點比較，加腋型梁柱焊接節(jié)點具有更大的塑性轉(zhuǎn)角與更強(qiáng)的抗震性能［7］；梁的跨高比對加腋節(jié)點性能具有重要影響，加腋并非對所有鋼框架剛性節(jié)點都有效，提出了新的鋼框架加腋節(jié)點簡化計算模型［8］；加腋不僅能夠使梁柱剛性節(jié)點的塑性鉸外移，而且能夠提高節(jié)點屈服剛度、極限荷載、能量耗散能力、位移延性和塑性轉(zhuǎn)動能力［9-10］；劉永娟等［11］對十字形三角腋節(jié)點的抗震性能試驗研究表明，隨著腋長的增大，加腋節(jié)點的承載力變大且塑性轉(zhuǎn)角和總轉(zhuǎn)角均增大，耗能能力有所增加，隨著腋高的增大，承載力減小且塑性轉(zhuǎn)角和總轉(zhuǎn)角均減少，耗能能力有所減小。帶樓板的抗震承載力高于不帶樓板，但耗能能力有所減小；劉永剛［12］針對某鋼結(jié)構(gòu)框架施工失誤造成的結(jié)構(gòu)受力缺陷采用兩種方案進(jìn)行梁柱連接節(jié)點補(bǔ)強(qiáng)，通過節(jié)點滯回分析及對比，選擇了最為合適的加固方案。黃長城等［13］采用局部增設(shè)鋼支撐對不規(guī)則鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固。曹輝等［14］對鋼框架梁柱節(jié)點通過梁翼緣焊接蓋板進(jìn)行加固，對其受力性能進(jìn)行了有限元分析。

本文的節(jié)點加腋與上述鋼框架剛性節(jié)點加腋和節(jié)點加固不同，梁上翼緣與柱認(rèn)為沒有連接，通過加腋使其達(dá)到梁柱的剛性連接。

1 有限元模型建立

1.1 分析模型參數(shù)選取

以梁柱邊節(jié)點為研究對象，如圖1所示，Hc、Hb分別為柱高和梁高；Lc，Lb分別為柱長和梁長，各取框架整體分析中反彎點長度，柱長3 300 mm，梁長851 mm；柱截面尺寸為H400×340×10×16，梁截面尺寸為H300×180×6×8；圖1（b）和圖1（c）中l(wèi)，h和t分別表示腋長度、腋高度和腋翼緣厚度；圖1（d）中l(wèi)1，l2，t和h分別表示組合腋中矩形腋長度、三角形腋長度、腋翼緣厚度及腋高度。其中，腋的腹板厚度與梁腹板厚度相同，均取6 mm，腋翼緣厚度與梁翼緣厚度相同，均取8 mm，沿梁下翼緣位置在柱上設(shè)置加勁肋，并在梁腋與梁連接處設(shè)置加勁肋，試件GJ表示上下翼緣焊接完好的正常梁柱節(jié)點，如圖1（a）所示。其余節(jié)點試件為梁上翼緣與柱未焊接、梁下翼緣與柱全熔透焊接的加固梁柱節(jié)點，鋼梁腹板及腋腹板與柱翼緣為角焊縫連接，具體尺寸見表1。

表1 梁柱節(jié)點試件尺寸Table 1 Size of beam-column joints

圖1 梁柱節(jié)點構(gòu)造Fig.1 conformation of T-shaped beam-column joints

1.2 模型建立

采用有限元Abaqus分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。分析時采用C3D8R實體單元，柱頂及柱腳均采用鉸接，并約束柱繞Z軸轉(zhuǎn)動，約束梁端的側(cè)向位移及繞梁長度方向轉(zhuǎn)動。選用細(xì)化網(wǎng)格的實驗方法劃分網(wǎng)格，對關(guān)鍵部位局部細(xì)化，如圖2所示。鋼材選用理想彈塑性材料模型，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為345 MPa。材料服從Von Mises屈服準(zhǔn)則。試件GJ模型中鋼梁翼緣及腹板均與鋼柱綁定連接。加腋節(jié)點模型中鋼梁上翼緣與柱分離，鋼梁下翼緣、腹板及腋下翼緣、腹板與鋼柱翼緣綁定連接。采用位移加載分析，在柱頂施加恒定軸力，梁端截面耦合到截面形心，在該點施加豎向位移進(jìn)行加載。

圖2 加固節(jié)點網(wǎng)格圖Fig.2 Mesh diagram of reinforced joints

2 有限元結(jié)果分析

通過對上述14個模型的數(shù)值分析，得到梁柱常規(guī)剛性節(jié)點和梁腋加固節(jié)點的承載能力和破壞形式，并對不同梁腋的腋長和腋高進(jìn)行參數(shù)化分析。

2.1 剛度和延性

梁腋加固后梁柱節(jié)點的剛度K和延性見表2。根據(jù)破壞荷載法確定梁柱節(jié)點的屈服荷載Py，當(dāng)梁柱連接節(jié)點繼續(xù)加載而荷載不再增加即為極限荷載Pu，屈服荷載Py與極限荷載Pu所對應(yīng)的位移分別為wy和wu，節(jié)點延性用μ=wu/wy表示。

表2 剛度和延性Table 2 Stiffness and ductility

由表2可知，加腋節(jié)點SJY-3或JXY-2的剛度均已接近焊接完好常規(guī)剛性節(jié)點GJ的剛度，隨著梁腋尺寸的加大，節(jié)點剛度增大，相同梁腋尺寸下，矩形腋加固后節(jié)點的剛度提高幅度明顯大于三角形腋，組合腋加固節(jié)點剛度提高位于三角形腋與矩形腋之間，并且當(dāng)組合腋的l1越大時，即組合腋越接近矩形腋時，剛度提高越多。由延性系數(shù)μ可知，加腋加固節(jié)點的延性系數(shù)均大于焊接完好常規(guī)剛性節(jié)點GJ的延性系數(shù)，并且隨著梁腋尺寸的加大，無論是三角腋還是矩形腋，節(jié)點的延性系數(shù)均增大，組合腋加固節(jié)點的延性系數(shù)位于三角形腋和矩形腋之間，并且當(dāng)組合腋的l1越大時，即組合腋越接近矩形腋時，延性提高越多。

2.2 承載能力

表3和圖3給出了加腋節(jié)點的承載力。常規(guī)剛性節(jié)點的屈服荷載Py0為222 kN，極限荷載Pu0為235 kN，分別用參數(shù)α=Py/Py0、β=Pu/Pu0來表示梁腋加固后節(jié)點屈服荷載和極限荷載的提高系數(shù)。

表3 試件節(jié)點承載力Table 3 Bearing capacity of specimens

圖3 不同加腋節(jié)點的承載能力Fig.3 Load carrying capacity of different reinforced joints

由表3和圖3可知，加腋節(jié)點SJY-4或JXY-2已經(jīng)達(dá)到了預(yù)想的加固效果，節(jié)點均超過了焊接完好常規(guī)剛性節(jié)點的承載能力，當(dāng)腋高和腋長均為梁高的1.5倍時，三角形腋加固節(jié)點SJY-3承載能力略低于常規(guī)節(jié)點GJ的承載能力，而矩形腋腋高和腋長均為梁高的1.33倍時加固節(jié)點JXY-2承載力大于常規(guī)節(jié)點GJ的承載能力，達(dá)到了預(yù)想加固效果。組合腋的加固效果介于三角形腋與矩形腋之間，ZHY-3近似達(dá)到預(yù)想的加固效果，并且當(dāng)組合腋的l1越大時，即組合腋越接近矩形腋時，加固節(jié)點承載力越大。隨著梁腋的腋高和腋長的增大，梁柱節(jié)點的屈服荷載和極限荷載也隨之增大。

2.3 節(jié)點應(yīng)力分布和破壞模式

圖 4（a）、（b）、（c）和（d）分別為SJY-3、SJY-4、JXY-2和JXY-3節(jié)點達(dá)到極限荷載時的應(yīng)力云圖，圖5表示試件GJ上下翼緣、SJY-3和JXY-3在極限荷載下梁柱接觸截面的鋼梁下翼緣和腋下翼緣應(yīng)力分布曲線，圖6（a）、（b）、（c）分別表示試件GJ上下翼緣、SJY-3和JXY-3鋼梁下翼緣和腋下翼緣在梁柱接觸截面處縱向應(yīng)力發(fā)展曲線。

圖4 加固節(jié)點應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram of reinforced joints

圖5 極限荷載下應(yīng)力分布曲線Fig.5 Stress distribution curve under ultimate load

圖6 節(jié)點應(yīng)力發(fā)展曲線Fig.6 Stress development curve of joints

由圖4至圖6的應(yīng)力分布及發(fā)展曲線可知，節(jié)點GJ梁柱接觸截面完全進(jìn)入塑性，翼緣中部的應(yīng)力高于翼緣邊緣的應(yīng)力，隨著荷載的增加翼緣中部和邊緣都進(jìn)入塑性。三角形梁腋和矩形梁腋的翼緣的應(yīng)力發(fā)展基本同節(jié)點GJ，鋼梁下翼緣中部首先進(jìn)入塑性，隨著位移的增加，三角形梁腋的下翼緣的應(yīng)力增大，矩形梁腋的下翼緣中部隨著荷載的增大而逐漸進(jìn)入塑性，翼緣邊部未進(jìn)入塑性。達(dá)到極限荷載時，三角形梁腋和矩形梁腋與柱接觸截面的部分區(qū)域已經(jīng)進(jìn)入塑性。腋長較小時，三角形梁腋為下翼緣受壓屈曲破壞，腋長增大，三角形梁腋梁柱接觸截面最終完全進(jìn)入塑性而破壞，矩形梁腋為梁腋加勁肋板受壓屈曲破壞。

2.4 影響因素分析

2.4.1 腋長l影響

腋高h(yuǎn)為450 mm，腋長l分別為450 mm、565 mm及675 mm時，三角形腋和矩形腋加固后梁柱節(jié)點的承載能力及荷載位移曲線見表4、圖7和圖8。

圖7 荷載與腋長關(guān)系曲線Fig.7 Load-haunch length curvs

圖8 荷載與位移關(guān)系曲線Fig.8 Load-displacement curves

表4 腋高為450 mm時梁腋加固節(jié)點承載能力Table 4 Load carrying capacity of reinforced joints（h=450 mm）

當(dāng)腋高為1.5倍梁高時，由表4和圖7、圖8可知，梁腋長度越大，三角形腋和矩形腋加固后節(jié)點的剛度、屈服荷載和極限荷載也隨之增大，但兩者的增長幅度相異。當(dāng)腋長為1.5倍梁高時，矩形腋加固后屈服荷載和極限荷載均已達(dá)到GJ節(jié)點的承載能力，而三角形腋未達(dá)到加固效果，當(dāng)腋長增大為1.88梁高時，三角形腋加固后節(jié)點承載能力高于GJ節(jié)點，由表4可知，同樣的腋長加固，矩形腋加固節(jié)點后的承載能力提高幅度明顯優(yōu)于三角形腋加固節(jié)點。

2.4.2 腋高h(yuǎn)影響

腋長l為450 mm，腋高h(yuǎn)分別為300 mm、400 mm及450 mm時，三角形腋和矩形腋加固后梁柱節(jié)點的承載能力及荷載位移曲線見表5、圖9和圖10。

表5 腋長為450 mm時梁腋加固節(jié)點承載能力Table 5 Load carrying capacity of reinforced joints（l=450 mm）

圖9 荷載與腋高關(guān)系曲線Fig.9 Load-haunch height curves

圖10 荷載與位移關(guān)系曲線Fig.10 Load-displacement curves

從表5、圖9和圖10可知，當(dāng)腋長為1.5倍梁高時，隨著梁腋高度的增加，三角形腋和矩形腋加固后節(jié)點的剛度、屈服荷載和極限荷載也隨之增加。當(dāng)梁腋高度與梁高相同時，三角形腋和矩形腋的加固效果相近，但均未達(dá)到焊接完好時常規(guī)剛性節(jié)點GJ的承載能力，當(dāng)梁腋高度增加至1.5倍梁高時，矩形腋的承載能力高于GJ節(jié)點而三角形腋的承載能力仍低于GJ節(jié)點，表明梁腋高度越大，矩形腋的承載能力提高幅度大于三角形腋。

3 結(jié)論

（1）對于本工程這類梁柱節(jié)點進(jìn)行加固時，矩形梁腋在腋高是梁高1.33倍，腋長是梁高1.5倍時可以達(dá)到常規(guī)梁柱剛性節(jié)點的承載能力，而三角形梁腋則需要在腋高是梁高1.5倍，腋長是梁高1.88倍才能達(dá)到常規(guī)節(jié)點的承載能力，組合梁腋尺寸要求介于矩形梁腋和三角形梁腋之間。

（2）三角形梁腋和矩形梁腋加固后梁柱節(jié)點的截面應(yīng)力發(fā)展與焊接完好時常規(guī)剛性節(jié)點基本相同，三角形梁腋腋長較小時發(fā)生翼緣受壓屈曲破壞，腋長增大后梁柱接觸截面全截面進(jìn)入塑性而破壞，矩形梁腋為梁腋加勁肋板受壓屈曲破壞。

（3）隨著梁腋高度和長度的增加，T形梁柱節(jié)點剛度、延性和承載能力均有提高，但增大幅度不同。梁腋高度越大，延性提高效果越好；隨著梁腋長度的增加，節(jié)點剛度和承載能力提高效果越好。建議采用梁腋加固時，梁腋長度在滿足承載能力的情況下，梁腋高度可以適當(dāng)加大。