钢框架对称腋板加强节点塑性铰外移设计方法研究

钢框架对称腋板加强节点塑性铰外移设计方法研究*摘要：根据美国AISC设计指南中提出的非对称腋板加强型节点的计算模型和方法，由对称腋板加强型节点双链杆简化计算模型，推导求得对称腋板加强节点的塑性铰外移计算式。并利用有限元软件ANSYS对对称腋板加强型节点和普通节点进行分析，验证算式的有效性。分析表明：对称腋板的设置降低了梁端上下翼缘焊缝处的应力，有效地将塑性铰移出。但梁端对接焊缝中间仍存在一定程度的应力集中，梁翼缘轴线处应力值有所增加，但总体应力水平较普通节点显著降低。架梁柱刚性节点发生脆性断裂破坏成为重要的研究课题。研究表明[1-3]，地震中梁下翼缘与柱翼缘处的对接焊缝是最易发生断裂的薄弱环节，大部翼缘上(图1)，断裂时没有明显的塑性变形。研究结果表明[4]，腋板加强型节点可以有效地将塑性铰移出，较好地缓解梁端焊缝处应力集中，在防止脆性破坏方面表现出良好的性能。美国AISC设计指南提出了非对称腋板加强型节点的计算模型和设计方法，但仅针对梁下翼缘设置腋板给出解释公式，此时梁端下翼缘焊缝处应力大幅降低，上翼缘焊缝处的应力仍相对较大[5]，而对称设置腋板可同时降低梁上下翼缘焊缝处应力，减少应力集中。本文在美国AISC提出的计算模型基础上推导出对称腋板加强节点的塑性铰外移计算式，并采用有限元软件对其进行了分析和验证，研究内容可为对称腋板加强型节点工程应用提供参考。图1节点典型破坏形式2对称腋板受力分析及塑性铰外移机制2.1力学模型对称腋板加强型节点构造形式如图2所示，其中腋梁包括腋翼缘和腋腹板两部分。理论和试验研究表明[6-7]，腋板的存在显著改变了梁端剪力的传递机理和梁加腋区的弯矩分布规律，使得大部分梁端剪力通过腋翼缘传递给柱，大大降低了梁端焊缝处的应力水平。图2对称腋板加强型节点构造传统梁理论已不能用来解释腋板加强型节点梁端弯曲应力的分布，Yu等在试验的基础上将腋板简化为一链杆的计算模型[8]，由此得出对称腋板加强型节点的变形可简化为如图3所示的形式。由于腋腹板对于梁腋整体刚度的作用只占整个梁腋的5%，因此腋翼缘板刚度对腋板传递剪力起决定作用。假设梁上下翼缘腋板轴力的竖直分量分别为β1Vpb和β2Vpb，则水平分量分别为β1Vpb/tanθ和β2Vpb/tanθ,如图4所示，其中Vpb为由腋板端部塑性弯矩Mpb换算得到的跨中集中力，而β1和β2为决定梁上下翼缘腋板轴力的待定系数。由于在梁端上下翼缘对称设置腋板并承受往复地震作用，因此β1=β2=β,即上下腋翼缘板轴力大小相等。图3对称腋板加强型节点变形示意2.2设计方法议值为：a=(0.5～0.6)h，腋板与梁翼缘的夹角θ=30°±5°,如图3所示，则腋板高度建议值为b=atanθ。假设沿梁长度方向为x轴，其原点在梁端部柱翼缘表面如图4所示，则梁加腋区弯矩为：Mx=Vpb[L′/2+(a-x)]-2βVpb·图4节点受力计算简图由于腋板设置的对称性，上下翼缘腋板受力和变形量相同，以上翼缘腋板的受力和变形为例来进行推导计算。在弯矩Mx作用下，AB梁段上翼缘外边缘处任意一点的应力为：σAB(x)=Mx(h/2)/Ib。由可求得腋板端部B点的水平变形分量uB如式(2)所示。同时由梁挠