單斜式無橫綴條雙肢格構柱抗震性能分析

摘 要：單斜式無橫綴條雙肢格構柱屬于建筑工程的常用結構形式，為了提高其設計水平，研究過程設置4大類、20種不同的結構模型，利用有限元模擬探究不同設計因素對格構柱抗震性能的影響。相關的設計因素包括綴條夾角、綴條的焊接方式、節點是否偏心，評價指標為延性性能、耗能性能、剛度退化趨勢。根據研究內容得出結論，當綴條夾角為45°，采用兩面側焊時，其延性系數最高，有利于耗能和抗震，在綴條改為四面包焊后，剛度有所增加，耗能水平和抗震性略有下降，節點無偏心有利于增強抗震性，當綴條夾角大于45°時，格構柱抗震性能明顯降低。

關鍵詞：單斜式無橫綴條雙肢格構柱；抗震性能；有限元分析

中圖分類號：TU 352 " " 文獻標志碼：A

單斜式無橫綴條雙肢格構柱在建筑工程中應用廣泛，其優點為承載力高、節約施工材料、造價低。這類格構柱的結構設計方案對其抗震性能具有較大的影響，因此需要通過數值模擬確定合理的結構形式。

孟軍[1]通過低周反復加載試驗測得“H”形鋼梁的滯回曲線、骨架曲線和剛度退化曲線，從而判斷鋼梁的抗震性能。高志[2]通過有限元分析法探究了鋼格構柱與無梁樓板連接處的抗震性。在此次研究中，基于前人的經驗，利用ABAQUS軟件建立多種單斜式無橫綴條雙肢格構柱的網格模型，設置不同的模型參數，向其施加豎向載荷和水平低周往復載荷，模擬地震作用下的延性變形、耗能水平和剛度退化趨勢，確定格構柱結構形式、焊接方式等關鍵性的設計因素，提高其抗震性。

1 單斜式無橫綴條雙肢格構柱抗震性能有限元模擬

1.1 單斜式無橫綴條雙肢格構柱結構組成

單斜式無橫綴條雙肢格構柱由“H”形鋼和綴條組成。“H”形鋼的高度、寬度、翼緣厚度、腹板厚度分別為300mm、200mm、12mm、8mm。綴條采用角鋼形式，長度為63mm，翼面厚度為6mm。角鋼分布在“H”形鋼的中間區域，以斜向45°焊接在型鋼內側。格構柱“H”形鋼和角鋼均為Q235B材質，利用E50焊條進行焊接。

1.2 格構柱有限元模型構建

以格構柱實物為基礎，利用ABAQUS軟件建立相應的有限元模型，對其抗震性能進行數值模擬，建模過程如下。

1.2.1 選擇結構組件的單元類型

單斜式無橫綴條雙肢格構柱的主要結構組件包括“H”形鋼、頂板、綴條、底板，同時設計有錨栓、加勁肋，此類結構可統一設置為軟件中C3D8R單元類型。用焊接方式連接格構柱的部分結構組件，由于焊縫具有不均勻性，因此將其設置為C3D8I單元[3]。

1.2.2 劃分網格

研究過程采用差異化網格密度，將“H”形鋼、頂板、底板、錨栓的網格均設置為40mm，綴條的網格大小設置為20mm。焊縫對精細度要求較高，將其網格大小設置為5mm。圖1為網格模型示例。

1.2.3 設置模型參數

對單斜式無橫綴條雙肢格構柱來說，綴條的設計方案對其抗震性具有顯著的影響，包括綴條與雙肢的夾角、節點偏心情況、綴條的焊接方式以及設計軸壓比等。根據以上因素的差異性設計4大類、20種格構柱模型，模型參數見表1。

1.3 抗震加載方式設計

在抗震分析中，需要對格構柱施加低周反復載荷，從而模擬地震作用。在有限元模擬過程中，格構柱載荷分為兩類：作用在柱端耦合點處的軸向壓力，其壓力與軸壓比相關[4]，以上20種模型的最大軸向壓力為2444kN，最小軸向壓力為1222kN；低周期水平往復載荷，加載幅值從小到大遞增，加載過程持續時間為50s。載荷的表現形式為柱端位移量。水平往復載荷的加載制度如圖2所示。

2 基于有限元模擬數據的格構柱抗震性能分析

2.1 格構柱抗震性能評價指標選取

2.1.1 延性性能

延性性能體現了格構柱的塑性變形能力，當受到地震載荷作用時，通過塑性變形，降低結構開裂的風險，同時消耗能量[5]。延性性能的評價指標為延性系數，其計算結果越大，說明格構柱的塑性變形能力越強。

2.1.2 剛度退化

用剛度退化曲線描述結構頂部發生單側位移施加的力（即抗側剛度）與位移大小的關系。在同等位移量情況下，抗側剛度越大，說明格構柱的耗能性能越強。

2.1.3 耗能性能

單斜式無橫綴條雙肢格構柱的主體結構為金屬材質，當其因地震作用發生變形時，會吸收能量。在抗震分析中，通常采用等效黏滯阻尼系數表征其耗能，該系數越大，說明發生同等程度的變形時，格構柱吸收的能量越多，抗震性越強。基于以上3種評價指標，單斜式無橫綴條雙肢格構柱的抗震性能評價體系如圖3所示。

2.2 格構柱延性性能數據分析

2.2.1 延性系數數值模擬結果分析

利用有限元軟件模擬計算20個模型的延性系數，結果如圖4所示。從趨勢圖可知，模型I-1～I-5的延性系數整體較大，其次為模型Ⅳ-1～Ⅳ-5。模型Ⅱ-1～Ⅱ-5的延性系數整體最小。由此可知，如果根據延性系數對模型的抗震性能進行排序，那么4組模型的抗震性排序結果為I＞Ⅳ＞Ⅲ＞II。

對比第I組和第II組模型，兩組模型的差異是綴條的安裝角度，第I組模型均為45°，第II組模型均為62.5°，第I組模型的延性系數均大于第II組模型。由此可見，當綴條安裝角度為45°時，有利于提高抗震性。

對比第I組和第Ⅲ組模型的延性系數，兩組模型的差異是節點是否偏心。從延性系數可知，節點無偏心有利于提高抗震性能。

對比第I組和第Ⅳ組模型的延性系數，差異是綴條的焊接方式，前者為兩面側焊，后者為四面圍焊。采用兩面側焊方式有利于提高格構柱的延性系數和抗震性能。

2.2.2 基于延性性能的承載力分析

對比4組模型的屈服載荷和極限載荷，結果見表2。從數據可知，模型的承載能力與延性系數呈正相關。當延性系數較大時，其承載力更高，有利于提高抗震性。

2.3 格構柱剛度退化數據分析

2.3.1 剛度退化曲線模擬結果

從2.2節可知，I-1、II-1、III-1、IV-1為各組中抗震性能最佳的單斜式無橫綴條雙肢格構柱模型。對以上4個模型進行剛度退化有限元模擬，繪制位移-抗側剛度曲線，結果如圖5所示。

2.3.2 基于剛度退化數據的抗震性能分析

在圖5中，柱端位移可表示單斜式無橫綴條雙肢格構柱的變形量。4種模型的剛度退化趨勢較為相似，IV-1模型的剛度退化速度最慢，其次為I-1模型。II-1模型的初始剛度最小，剛度退化速度最快。對比IV-1和I-1模型，在柱端位移相同的情況下，IV-1模型的綴條采用四面圍焊的焊接方式，因此IV-1模型的抗側剛度略大于I-1模型的抗側剛度。

在柱端位移相同的情況下，抗側剛度越大，格構柱模型的抗震性能越好。因此，從剛度退化曲線可知，I-1模型、IV-1模型的抗震性能明顯優于II-1模型、III-1模型，與延性性能的判斷結果基本一致。

2.4 格構柱耗能性能數據分析

2.4.1 等效黏滯阻尼系數有限元模擬結果

圖6為20個格構柱模型等效黏滯阻尼系數的有限元模擬結果。從數據可知，第I組模型和第IV組模型的等效黏滯阻尼系數差異非常小，其抗震效果基本相當。第III組模型的等效黏滯阻尼系數小于第I組和第IV組，因此抗震性能較差。第II組模型的等效黏滯阻尼系數整體最小，抗震性能最差。

2.4.2 相同位移下的耗能數據分析

將柱端最大位移設定為84mm，模擬每個模型的耗能。同等位移下的耗能水平越高，說明模型的抗震性能越強。位移和耗能的模擬結果見表3。從數據可知，第I組模型的整體耗能水平最高，其次為第IV組模型。第II組模型的耗能水平最低。因此，根據耗能水平對抗震性能進行排序，則排序結果為I組＞IV組＞III組＞II組。

3 結論

研究過程設計了4種類別、20種單斜式無橫綴條雙肢格構柱模型，利用ABAQUS軟件構建格構柱的網格化模型，改變模型的設計參數，包括綴條與型鋼的夾角、綴條的焊接方式、節點是否偏心。針對每個模型施加不同軸壓比的軸向載荷和水平低周期往復載荷，模擬計算模型的延性系數、等效黏滯阻尼系數、耗能水平以及剛度退化曲線，并得出以下結論。1）在4組模型中，根據抗震性能強弱排序，結果為第I組＞第IV組＞第III組＞第II組。2）對比綴條安裝角度為45°和62.5°的參數結果，后者的延性系數、等效黏滯阻尼系數、耗能水平均最低，說明當安裝角度過大時，格構柱的抗震性能明顯下降。3）對比節點偏心和節點無偏心兩種情況，在節點偏心的情況下，格構柱的延性性能、耗能性能和剛度均出現了下降趨勢，不利于提高抗震性。因此，在格構柱設計階段，應保證節點無偏心。4）對比綴條兩面側焊和四面圍焊兩種因素，后者提高了綴條的剛度，不利于格構柱在地震作用下的塑性變形和能量吸收，抗震性降低，但影響幅度較小。

參考文獻

[1]孟軍.裝配式抗側力鋼格構柱抗震性能分析[J].建筑技術開發，2023，50（4）：51-53.

[2]高志.鋼格構柱與無梁樓板連接處力學性能及抗震分析研究[J].鐵道建筑技術，2023（9）：98-102.

[3]歐智菁，俞杰，林上順，等.鋼管混凝土雙肢格構墩梁橋抗震優化設計[J].福建工程學院學報，2019，17（6）：511-517，538.

[4]黃志，熊陸增，蔣麗忠，等.四肢鋼管混凝土格構柱試驗研究及參數分析[J].防災減災工程學報，2024，44（3）：616-622，631.

[5]孟凡濤，阮興群，趙建鋒，等.密綴板耗能格構柱加固既有框架結構的簡化分析及工程應用[J].中南大學學報（自然科學版），2021，52（3）：1004-1016.