梁腹板削弱式刚性钢框架抗震性能研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２７卷第３－￣Ｉ　西安科技　大　学　学报　Ｖｏ１．２７　Ｎｏ．３　２００７年９月　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＸＩ　ＡＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ｓｅｐｔ．２００７　文章编号：１６７２—９３１５（２００７）０３—０３６４—０４　梁腹板削弱式刚性钢框架抗震性能研究　郭秉山，彭　军，刘朝科　（西安科技大学建筑与土木学院，陕西西安７１００５４）　摘要：根据钢框架强柱弱梁的抗震设计原则，按照有效控制梁上塑性铰位置的思路，对在梁腹　板上进行开孔削弱的节点形式，通过开孔位置和大小的设计，控制节点处塑性铰形成的位置，进　行三维有限元模拟分析，并将削弱位置和尺寸不同的节点构造形式与传统的梁柱节点进行对比　分析。ＡＮＳＹＳ模拟结果表明，采用腹板开孔的形式能大大缓解节点的应力状态，改善节点的延性　性能，降低节点发生脆性破坏的可能性，提高结构的抗震性能。　关键词：钢框架；梁柱节点；腹板削弱；延性　中图分类号：ＴＵ　３９１　文献标识码：Ａ　Ａｎｔｉ－ｓｅｉｓｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｏｆ　ｎｅｗ　ｂｅａｍ－ｔｏ－ｃｏｌｕｍｎ　ｃｏｎｎｅｃｔｉＯＩｌＳ　ｉｎ　ｓｔｅｅｌ　ｆｒａｍｅｓ　ＧＵＯ　Ｂｉｎｇ．ｓｈａｎ，ＰＥＮＧ　Ｊｕｎ，ＬＩＵ　Ｃｈａｏ—ｋｅ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＡｒｃｈ．ａｎｄ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇ．，Ｘｉ　ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｆｏＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ　ａｎ　７１００５４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ａｎｔｉｓｅｉｓｍｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｆｒａｍｅｓ—ｓｔｒｏｎｇ　ｃｏｌｕｍｎｓ　ａｎｄ　ｗｅａｋ　ｂｅａｍ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｄｅａ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｈｉｎｇｅｓ　ｏｆ　ｂｅａｍｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｅ　ｎｏｄｅ　ｆｏｒｍ　ｗｅａｋｅｎｅｄ　ｂｙ　ｈｏｌｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗｅｂ　ｉｓ　ａｄｏｐｔｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｈｉｎｇｅｓ　ｉｓ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｏｌｅｓ．３　Ｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｕｓｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｏｄｅ　ｆｏｒｍ　ｗｅａｋｅｎｅｄ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｂｅａｍ—ｔｏ—ｃｏｌｕｍｎ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ，ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｅｄ　ｂｙ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｏｆｒｍ　ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　ａ　ｈｏｌｅ　ｉｓ　ｍａｄｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗｅｂ　ｃａｎ　ａｌｌｅｖｉａｔｅ　ｔｈｅ　ｔｒｉａｘｉｌａ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｌｏｓｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｎｏｄｅ，ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｆｒａｇｉｌｉｔｙ　ｄａｍａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｅｌｄ，ｔｈｕｓ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｓｅｉｓｍａｔｉｃ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ　ｆｒａｍｅ；ｂｅａｍ—ｃｏｌｕｍｎ　ｎｏｄｅ；ｗｅａｋｅｎｅｄ　ｗｅｂ；ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ　０　引　言　在多高层钢框架中，人们曾认为具有良好抗震性能的一种节点型式是梁翼缘与柱对接焊、梁腹板与　柱通过高强螺栓连接。然而，在１９９４年的Ｎｏｒｔｈｒｉｄｇｅ地震和１９９５年的Ｋｏｂｌｅ地震中，采用这种节点的钢　结构建筑虽然没有倒塌，却有很多在节点部位出现不同程度的脆性破坏…。高层钢结构抗震设计主要利　用钢材的塑性变形能力消耗地震能量，但节点的脆性破坏改变了钢结构在地震作用下的破坏模式，使其　无法在合适的位置形成塑性铰，发展塑性变形　Ｊ。美国在Ｎｏｒｔｈｒｉｄｇｅ地震之后提出了改进节点延性的措　施　，主要方法包括：通过加腋和加盖板提高节点的承载力；改进节点区焊接孔构造型式；对梁截面局部　削弱，使塑性铰从节点区外移至梁上。梁端与柱刚性连接的抗弯能力小于梁截面的抗弯能力，采用削弱　收稿日期：２００６—０９—１５　作者简介：郭秉山（１９５５一），男，陕西佳县人，博士，教授，主要从事建筑结构的教学与研究　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　郭秉山等：梁腹板削弱式刚性钢框架抗震性能研究　３６５　梁截面的方式来降低梁截面的抗弯能力，相对而言，等于提高了连接的抗弯能力，使相互之间的强弱关系　发生了相反的转化，保证了框架梁在水平地震作用下，不会首先在连接处破坏，使节点具有良好的延性。　因此根据钢框架强柱弱梁的抗震设计原则，本文采用梁腹板上进行开孔削弱的节点形式，通过开孔位置　和大小的设计，控制节点处塑性铰形成的位置，进行有限元分析，并将削弱位置和尺寸不同的节点构造形　式与传统的梁柱节点　进行对比分析。　１有限元模型　１．１节点试件设计　对５个Ｔ型试件，即标准型节点（ＣＦ一１）和４个在腹板上开孔削弱型节点进行有限元分析。按照《高　层民用建筑钢结构技术规程（ＪＧＪ９９—９８）》　和《热轧Ｈ型钢和部分Ｔ型钢（ＧＢ／Ｔ１１２６３—１９９８）》选定梁　柱截面和构造细部。考虑在水平和竖向荷载组合作用下，框架梁的反弯点一般在１／６～１／２梁跨之间，悬　臂梁端至柱中心间距耳爻２．４　ｍ，是常用跨度７．２　ｍ的１／３；柱净长取３　ｍ。梁柱之间的连接方式采用焊接，　梁柱所用钢材为Ｑ２３５钢，焊缝采用Ｅ４３型。根据试验资料，Ｑ２３５钢取　＝２３５　Ｎ／ｍｍ。，　＝０．００１　１４，　＝４２０　Ｎ／ｍｍ　，　＝０．１５，　＝３３０　Ｎ／ｍｍ　，　＝０．２２；焊缝取　＝３３０　Ｎ／ｍｍ　，　＝０．００１　６，　＝　４７０　Ｎ／ｍｍ　，　＝０．１２，　＝４２０　Ｎ／ｍｍ　，　＝０．１７。弹性模量２１０　ＧＰ　，泊松比０．３［７］。具体参数详见表　１，表２。　表１腹板削弱节点参数　Ｔａｂ．１　Ｍａｉｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｎｏｄｅｓ　ｉｎ　ｗｅａｋｅｎｅｄ　ｗｅｂ　１．２有限元模型及求解控制　．　试件的实体部分网格划分时选用Ｓｏｌｉｄ４５，Ｓｏｌｉｄ９２单元，较好地平衡了计算精度和机时的要求　。根　据试验的材料特性，材料为各向同性，ＡＮＳＹＳ选用多线性随动强化（ＭＫＩＮ）模型，采用Ｖｏｎ　Ｍｉｓｅｓ屈服准则　及相应的塑性流动法。试件的有限元模型如图１所示。　将沿框架柱的长度、高度、宽度方向分别定义为　，ｙ，ｚ方向。加载时将柱的下端加上沿　，ｙ，Ｚ　３　个方向固定约束，上端加上沿ｚ方向的约束，并同时在上端施加轴压力，对柱加劲勒高度的梁端节点进行　ｙ（垂直）方向位移耦合，程序将产生一个主节点，外力以位移的方式施加于耦合梁端的主节点上。主节点　上可以施加单调和循环位移荷载，先计算钢框架在单向加载时的行为，根据单向荷载作用下的荷载位移　曲线计算梁端屈服位移△　（屈服位移△　采用“通用屈服弯矩法”　确定）和屈服荷载Ｐ　；循环荷载时梁端　位移按以下方式施加，循环位移荷载以模拟地震荷载，加载制度参照《建筑抗震试验方法规程》的要求，每　级按屈服位移△　的倍数增加，每级循环两次。　２有限元计算结果及其分析　有限元计算得到了梁柱连接试件在循环荷载作用下的滞回曲线。图２分别为５个试件在循环荷载作　用下的　Ｍｐ一　滞回曲线。其中，Ｍ是梁端弯矩，　是梁全截面塑性弯矩，　，一－４４，－＂点的塑性转角，按式　（１）计算，式中△是梁端竖向位移，Ｐ是梁端作用荷载，Ｋ为梁柱连接的初始刚度，　为梁长度。　维普资讯 http://www.cqvip.com ３６６　西安科技大　学　学报　２００７盘　Ｏｐ＝　（１）　根据计算结果，可以发现以下几个特点。　１）由图２可以看出，在破坏前滞回曲线饱满、稳定，呈纺锥形，ＣＦ一１　至ＣＦ一５的破坏时整体塑性转角均大于０．０３　ｒａｄ。　２）从Ｍ／Ｍ　一Ｏｐ滞回曲线可以看出，滞回曲线面积越大，延性越好，　试件的耗能情况见表３。Ｃ　为能量耗散系数　Ｊ，按最大荷载对应滞回曲线　包围的面积来衡量。Ｃ　越大，说明构件吸收的能量越多。当开孔中心位置　距柱翼缘的距离Ｓ：２００　ｍｍ时，孔径ｄ＝１５０　ｍｍ的试件ｃＦ一３的延性好　于孔径ｄ＝１００　ｍｍ的试件。而ＣＦ一４和ＣＦ一５的滞回面积均略大于ＣＦ　图１有限元模型　Ｆｉｇ．１　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　一２，ＣＦ一３，这说明孔洞的直径相同时，距柱翼缘较远者滞回性能较好。　耋　一　耋一　耋一：篷　：篷　：篱　Ｏ．３　Ｏ．２　一　塞一　一Ｏ．２　一Ｏ．３　图２梁柱连接在循环荷载作用下的Ｍ／Ｍｐ一　滞回曲线　Ｆｉｇ．２　Ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｂｅａｍ—ｃｏｌｕｍｎ　ｗｅｂ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｕｎｄｅｒ　ｃｙｃｌｉｃａｌ　ｌｏａｄ　（ａ）试件１（ｂ）试件２（ｃ）试件３（ｄ）试件４（ｅ）试件５　表３试件参数及计算结果　Ｔａｂ．３　Ｍａｉｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｕｔ　３）节点域变形对节点滞回性能有较大的影响。由于削弱梁腹板，翼缘塑性变形比较大，但节点域的　转角也占相当比重。　总之，从以上分析的结果看，开孔后改变了节点的应力分布，使梁上的最大应力远离柱翼缘，从而防　止了脆性破坏，提高了节点的延性。　３　结论　钢框架模型的设计符合“强柱弱梁”的设计要求，采用腹板开孔的构造形式，钢框架屈服首先出现在　钢梁的开孔附近，这说明此设计目的让屈服偏离脆性较大的梁柱翼缘焊接处，塑性铰外移，大大缓解了节　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　郭秉山等：梁腹板削弱式刚性钢框架抗震性能研究　３６７　点处的应力状态，使节点的破坏模式从脆性破坏转变为梁的局部屈曲破坏，改善了节点的延性性能，１｛降低　１ｊ了连接处焊缝发生脆性破坏的可能性，避免了断裂事故的发生，提高了结构的抗震性能。　参考文献：　［１］郭秉山，顾强，李养成．钢框架梁柱腹板连接梁翼缘对接焊缝的破坏机理［Ｊ］．西安科技大学学报，２００４，１２（４）：４１７　—４２１．　［２］　王秀丽，梁亚雄，李庆福，等．反复荷载作用下多层轻钢框架梁柱节点抗震性能的实验研究［Ｊ］．工业建筑，２００３（增　刊）：７２５—７３０．　［３］　ＳＨＥＮＧ　Ｊｉｎｃｈｅｎ，ＴＳＡＯ　Ｙ　Ｃ，ＣＨＡＯ　Ｙ　Ｃ．Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｓｔｅｅｌ　ｍｏｍｅｎｔ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ［Ｊ］Ｊｏｕｒｎａｌ　ｆｏ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００１，１２７（５）：５３８—５４５．　［４］　王秀丽，殷占忠，李庆福．新型钢框架粱柱Ｔ型节点抗震性能试验研究［Ｊ］．甘肃科学学报，２００４，１６（４）：９０—９４．　［５］石永久，李兆凡．高层钢框架新型梁柱节点抗震性能试验研究［Ｊ］．建筑结构学报，２００２，２３（３）：２—７．　［６］高层民用建筑钢结构技术规程（ＪＧＪ９９—９８）［ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，１９９８．　［７］钢结构设计规范（ＧＢＪ５００１７—２００３）［ｓ］．北京：中国计划出版社，２００３．　［８］　白葳，喻海良通用有限元分析ＡＮＳＹＳ８．０基础教程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５．　［９］　陈绍藩．钢结构设计原理［Ｍ］．西安：陕西科学技术出版社，２００４．　（上接第３５５页）　２）从工作面支架压力观测得出，大采深、大倾角工作面压力显现具有大倾角工作面来压的特征，即工　作面沿倾向，中上部压力较大，下部压力较小，但来压强度的差距相对埋深较浅的情况要小；工作面岩层　控制的难点在于顶底板的扰动带来的工作面设备的稳定性较差；　３）工作面从下部到上部顶板水平应力和位移量比逐渐减小，同时垂直应力和位移量逐渐增加。这也　是导致大倾角工作面顶板压力中上部显现剧烈的原因之一。　参考文献：　刘峻峰，王国法．急倾斜特厚煤层开采微型放顶煤支架适应性分析［Ｊ］．煤炭科学技术，２００５，３３（６）：２８—３１．　冀贞文，王怀新，唐绍琴．大采深坚硬顶板工作面安全开采杖术［Ｊ］．矿业安全与环保，２００４，３０（４）：６４—６６．　张文泉，张红日，徐方军．大采深倾斜薄煤层底板采动破坏形态的连续探测［Ｊ］．煤田地质与勘探，２０００，２８（２）：３９—　４２．　刘峻峰，负东风．大倾角特厚煤层综放工艺系统复杂性初步研究［ｃ］．／／常心坦．创新与发展——西安科技学院２００２　年学术大会论文集．西安：西安科技学院，２００２．　黄建功，平寿康．大倾角采面顶板分类研究［Ｊ］．矿山压力与顶板管理，１９９９，３（４）：８６—９０．　负东风，伍永平．大倾角煤层综采工作面调伪仰斜原理与方法［Ｊ］．辽宁工程技术大学学报（自然科学版），２００１，２０　（２）：１５２—１５５．　伍永平，负东风，张淼丰．大倾角煤层综采基本问题研究［Ｊ］．煤炭学报，２０００，２５（５）：４６５—４６８．　伍永平，负东风．大倾角综采支架稳定性控制［Ｊ］．矿山压力与顶板管理，１９９９，３（４）：８２—８５．　伍永平，负东风．绿水洞矿大倾角煤层综采技术研究与应用［Ｊ］．煤炭科学技术，２００１，２９（４）：３０—３２．　林忠明，陈忠辉，谢俊文，等．大倾角综放开采液压支架稳定性分析与控制措施［Ｊ］．煤炭学报，２００４，２９（３）：２６４—２６８．