新型抗震节点对连续倒塌性能的影响

新型抗震节点对连续倒塌性能的影响

0结构抗连续倒塌特性自英国罗纳尔德p.morha联邦大楼发生持续倒塌以来，结构的持续坍塌一直受到工程公司的关注。1995年，美国俄克拉赫p.murha联邦大楼和2001年纽约世贸中心的恐怖事件再次引起了各国科学家对持续坍塌的研究。美国土木工程学会（h.v.h.）对持续坍塌的定义是“结构的局部破坏从一个部分扩展到另一个部分，并最终导致整个或大范围坍塌。”在过去的10年里，许多国家加强了对结构持续坍塌的研究，许多国家制定了具有抗连倒塌规定的建筑规范和防止连续坍塌的参考标准（例如bsi1997、asce2006、nb1995等）。其中，美国国防部（dod）和总务部（gsa）制定了抗弯坍塌结构的详细标准，并提出了可使用待开桥法的结构抗弯坍塌能力。该方法假设结构的重要组件（通常为支柱）失败，并分析结构在现有负荷的作用下的内力重分布，以确认结构是否能够继续承受现有的负荷。此外，研究结果表明，抗疲劳结构的建筑在地震的作用下具有良好的抗弯能力。同时，它的抗弯能力（即使是由没有抗疲劳动的建筑物以外的抗弯能力）比未抗弯能力好，但抗结构破坏能力的钢框架节点在结构中的作用尚未得到研究。作者使用非线性有限法分析了三个支架的结构破坏后的性能，并研究了钢框架梁柱节点在柱子作用后的性能分布、塑料区分布和轮廓荷载。三个节点的力学能。1加强型节点的设计1994年Northridge地震和1995年Kobe地震中钢框架梁柱节点发生了脆性破坏,大多数破坏是由梁柱相交处梁下翼缘破口焊根部起始的裂纹引起的.为此,各国学者都提出了改善梁柱节点抗震性能的多种方法,这些方法主要包括:使塑性铰位置外移、处理梁翼缘焊缝衬板缺口效应和改进扇形切角构造.其中,塑性铰位置外移是改善梁柱节点的主要途径之一.根据使塑性铰位置从柱面外移的不同方法,把这类节点分为加强型节点和削弱型节点.加强型节点是通过将节点部分局部加强,使塑性铰的位置出现在偏离节点的梁上,实现钢框架结构“强节点弱构件”的设计思想.这类节点主要有以下两种型式:盖板式节点和劲板式节点.盖板式节点(图1(a))是通过局部加强梁柱节点处梁的上下翼缘而提高梁柱节点的延性,这种节点的缺陷是其盖板和梁翼缘的焊接与监测困难,特别是采用厚盖板时将使破口焊很大,致使焊缝收缩、复原更加困难,同时更容易在梁翼缘和盖板处产生更大的残余应力.劲板式节点(图1(b))是在梁柱节点处梁的上下翼缘加治理劲板来提高节点的延性,这种节点避免了盖板式节点的大破口焊,但焊接与监测仍然存在问题,其造价相对较高.削弱型节点是保持梁柱节点区的原有构造不变,对距离梁柱节点一定距离的梁截面进行局部削弱,从而使塑性铰的位置偏离节点区域.这类节点主要有以下两种型式:翼缘削弱型节点和腹板削弱型节点.翼缘削弱型节点(图2(a)所示)是在梁的上下翼缘靠近节点处进行了削弱,其削弱部分梁起到一个保险丝的作用,这种节点对梁进行合理的削弱,使得较长的一段梁同时进入塑性,真正做到了延性设计且充分发挥了钢材的塑性;腹板削弱型节点(图2(b)所示)是在梁腹板靠近节点处开孔,使梁腹板开孔处的抗弯能力低于节点的抗弯能力,从而使梁腹板开孔处在地震作用下先形成塑性机构,保证梁柱节点的弹性工作状态.这种节点可以使室内管线从梁腹板空腔内通过,降低建筑层高,进而降低成本.2节点计算模型2.1动态高精度梁腹板开孔结构的研究节点计算模型共3类:标准节点、翼缘削弱型节点和腹板削弱型节点,节点构造示意图见图3所示.3种节点的梁柱截面尺寸相同,梁截面为H350×200×8×12,柱截面为□400×400×12×12.梁翼缘与柱翼缘采用对接焊缝连接,梁腹板通过高强螺栓和剪切板连接到柱翼缘上,柱内设置加劲肋.文献对翼缘削弱型节点进行了试验研究,并在试验研究和数值计算的基础上提出了一种翼缘削弱型节点的设计公式.笔者对翼缘削弱型节点对翼缘削弱时,按照文献推荐的公式,控制尺寸为a=50mm,b=120mm,c=250mm.文献通过有限元模拟并对比试验研究成果,对梁腹板开圆孔进行了研究,提出了梁腹板开圆孔的设计方法.笔者对腹板开孔削弱时,参照文献推荐的公式,控制尺寸为R=105mm,b=330mm.2.2材料和标准有限元模型采用ANSYS通用有限元程序建立计算模型,节点尺寸和构造如图3所示.模型材料为Q345钢,其屈服强度为345MPa,弹性模量为2.06×105MPa,材料模型曲线如图4所示,泊松比取0.3.采用Von-Mises屈服准则及相关流动准则,多线性随动强化准则.标准节点有限元模型如图5所示,采用壳单元Shell181进行建模,模型单元为四边形,在梁翼缘和腹板削弱处的周围细化网格.Shell181单元为4节点单元,适用于考虑几何非线性的弹塑性分析.分析中主要考虑节点构造对节点性能的影响,忽略了节点焊缝、高强螺栓和焊接残余应力的影响.2.3节点有限元分析计算模型的边界条件为梁柱节点一端按固定支座考虑,在模型的梁端加载,梁加载端到梁翼缘根部的距离为5.6m.对节点在两种加载方式作用下节点的性能进行有限元分析,两种加载方式为:1)梁端施加竖向集中力,研究节点在弹性阶段的应力分布规律;2)梁端施加竖向位移,研究节点进入塑性阶段后的应力分布规律.3有限分析的结果3.1最大方面应力对上述节点进行弹性分析时,考虑到削弱型节点抗弯能力的下降,在梁端施加36kN的竖向集中力,主要研究了上述3种不同节点构造的模型沿以下路径的VonMises应力分布:梁受拉翼缘外表面中线沿轴线方向.标准型节点的最大应力出现在梁翼缘根部,其最大VonMises应力为198.3MPa;翼缘削弱型节点最大VonMises应力向外移,为317.6MPa,腹板削弱型节点最大VonMises应力向外移,为222.1MPa.翼缘削弱型节点和腹板削弱型节点最大应力点均距梁根部240mm.图6为梁翼缘受拉翼缘外表面沿轴线方向的应力分布,取翼缘根部到距翼缘根部800mm处的应力分布.梁翼缘截面应力最大处是节点焊接容易产生破坏的位置,在焊接缺陷存在的情况下,节点会在最大应力处发生裂纹扩展,进而造成节点的脆性破坏.所以降低节点的应力集中,减少节点的焊接缺陷,是防止节点发生脆性破坏的重要措施.从上述分析可知,通过对靠近梁柱节点的梁段进行局部削弱,可以使节点的最大应力外移,降低焊缝处的应力水平,从而防止节点发生脆性破坏.3.2节点焊接缺陷采用位移控制加载,使用增量加载方式及改进的牛顿-拉婓逊法,对3种节点在梁端竖向集中力作用下进行弹塑性分析,其中标准节点和腹板削弱型节点在梁端竖向位移达到400mm时计算终止,翼缘削弱型节点在梁端竖向位移达到300mm时计算终止.其荷载-位移曲线如图7所示,横坐标为加载端的竖向位移,纵坐标为相应的竖向荷载.由图7中的荷载-位移曲线可以看出,梁截面的翼缘或腹板削弱后,其弹塑性承载力有所下降,其中翼缘削弱型的节点降低较多,而腹板削弱型降低较少.对3种节点的计算结果表明,标准节点首先在梁翼缘根部形成塑性区(如图8(a)所示),随着荷载的增加,梁翼缘塑性区向外移,并在柱中的加劲肋和梁腹板部分区域形成塑性区.最后梁柱节点板域部分进入塑性,从而导致节点破坏.翼缘削弱型节点在加载过程中,梁翼缘削弱处发生应力集中,并首先进入塑性(如图8(b)所示).随着荷载的增大,翼缘削弱处的腹板也进入塑性,且梁翼缘的塑性区向截面削弱处的腹板扩展,最后在梁翼缘最大削弱处梁翼缘与腹板塑性区贯通,节点发生破坏,此时梁柱节点板域的应力水平较低,未进入塑性.腹板削弱型节点在加载过程中,首先在梁翼缘根部和腹板削弱圆孔附近进入塑性(如图8(c)所示).随着荷载的增大,梁翼缘根部和腹板削弱圆孔附近的塑性区扩展,腹板削弱处的翼缘进入塑性.最后在梁腹板削弱处梁翼缘与腹板塑性区贯通,节点发生破坏.通过计算,在忽略节点焊接缺陷的条件下,标准节点和腹板削弱型节点的延性较好,且标准节点的承载力略高于腹板削弱型节点,所以提高梁柱节点的焊接质量,减少焊接缺陷,是保证节点强度、延性的主要措施.同时,通过对梁段进行局部削弱,有利于节点受力性能的改善,防止节点发生脆性破坏.此外,翼缘削弱型节点的承载力下降较大,在一定条件下降低了结构冗余度.4节点弹塑性分析针对梁柱节点在结构的某一柱子失效后的受力特点,利用非线性有限元理论,对3种型式的梁柱节点在竖向