新型梁柱装配式节点低周循环加载模拟

新型梁柱装配式节点低周循环加载模拟

刚性钢框架由于其良好的抗疲劳动性而被广泛使用，梁柱连接节点在钢框架中起着重要作用。长期以来,人们一直认为工地焊接的刚性梁柱连接具有很好的韧性,在地震作用下可以充分发展塑性变形以吸收地震能量。然而1994年美国的Northbridge地震和1995年日本的阪神大地震后［１－２］,在梁柱连接焊缝附近发生了脆性破坏［３－４］,这就从根本上改变了人们对梁柱焊接节点抗震性能的看法,螺栓连接开始得到广泛应用。框架结构中钢梁采用悬臂梁段与柱连接是规范［５－６］推荐使用的一种连接形式,这种节点因其短悬臂梁段与柱连接,柱呈树状而被国外学者命名为“树状柱”［７］。新型梁柱装配式节点［８］通过在悬臂梁与框架梁的上、下翼缘交互布置拼接板,并且预先在钢结构加工厂里通过焊缝完成两侧拼接板与梁的连接。在节点的现场安装过程中,两侧已经焊牢的拼接板充当耳朵板作用,使安装梁段快速就位,就位后,再用螺栓完成拼接板与另一侧梁上、下翼缘的连接,以及腹板的拼接,完成了梁柱刚性节点的安装。该梁柱刚性节点结构合理、传力明确、现场安装过程快速就位、无焊接、施工效率高,安全性好,既可提高安装效率,又避免了焊接引起火灾的风险。同时,该种节点在施工现场全部采用螺栓拼装,这给施工现场条件恶劣不方便施焊的工地,带来极大的方便。为了更好地研究该新型节点的滞回性能,本文对带悬臂梁段拼接的钢框架节点进行了有限元参数分析,考察不同设计参数对该新型节点滞回性能的影响。1试验设计与金元模型1.1高强螺栓型连接与梁腹板、腹板等强设计梁拼接的设计方法主要有4种［９］:等强设计方法、实用设计方法、精确设计方法和简化设计方法。而对于有抗震设防要求的连接节点,一般采用等强设计方法［１０］,以保证构件的连续性和节点具有良好的延性。等强设计方法在弹性阶段要求高强螺栓摩擦型连接与梁腹板净截面抗剪等强;而在弹塑性阶段,高强螺栓摩擦型连接转化为承压型连接,高强螺栓抗剪极限承载力提高1倍左右,一般都能满足弹塑性阶段极限抗剪承载力的验算要求。梁柱均为H形钢截面,柱截面取H250×250×9×14,梁截面取H300×160×8×10,梁长度取1.55m。梁拼接部分选用10.9级M20高强度螺栓,栓孔直径为21.5mm。梁上、下翼缘盖板连接螺栓为单剪,腹板拼接螺栓为双剪,连接抗滑移系数取0.4。采用等强设计方法对节点拼接部位进行设计,螺栓数目为翼缘6个,腹板6个,与梁翼缘采用三面围焊连接的侧面角焊缝长度为150mm,正面角焊缝的长度为160mm,焊角尺寸hｆ为10mm。BASE试件几何尺寸如图1所示。1.2试验数据及分析梁柱试件采用Q235钢,应力-应变关系曲线采用考虑强化段和下降段的三折线模型,更加符合钢材在单向拉伸试验中表现出来的真实的应力-应变关系,能正确描述出钢材屈服后的强度硬化以及超过极限应变后强度退化现象,如图2所示。根据所做的试验试验数据σｙ=298.8N·mm－２,εｙ=0.146%,E=2.05×10５N·mm－２,σｕ=435.7N·mm－２,εｕ=19.8%,εｓｔ=34%,泊松比ν=0.3。焊条采用E43型,焊缝材料材性指标参考文献确定,强化段参考文献确定,σｙ=350N·mm－２,εｙ=0.155%,E=2.05×10５N·mm－２,σｕ=480N·mm－２,εｕ=1.512%。螺栓材性指标取值参照国家标准,选用10.9级M20高强螺栓摩擦型连接,栓孔直径为21.5mm,摩擦接触面抗滑移系数μ=0.4。10.9级螺栓的预拉力P=155kN,σｙ=980N·mm－２,εｙ=0.470%,σｕ=1100N·mm－２,εｕ=1.360%,E=2.05×10５N·mm－２。1.3节点、螺栓与梁端的网格划分在有限元模型划分时,梁、柱分别采用C3D8R和C3D8I实体单元进行结构化网格划分,螺栓采用C3D8I扫掠网格划分,在栓杆上施加螺栓荷载来模拟高强螺栓的预拉力。考虑拼接板与梁翼缘和腹板的摩擦作用,在翼缘拼接板与梁翼缘、腹板拼接板与腹板之间设接触对,并定义摩擦属性,同时忽略栓杆与孔壁之间的摩擦。网格划分的精度与应力复杂程度相关,节点及螺栓计算模型的网格划分如图3所示。在高强螺栓拼接部位及节点域处网格划分较密,其它部位网格划分较稀疏。约束条件采用柱端施加限制所有自由度的固定约束,梁端截面的所有节点进行y方向位移耦合,外力以位移的方式施加于耦合面的主节点上,并在梁端距柱翼缘1.3m左右的位置施加x方向的约束,相当于梁的平面外约束。试件模拟时荷载的施加顺序结合工程实际进行,首先施加螺栓的预拉力155kN,然后施加梁端循环荷载。根据文献,即首先模拟计算梁柱连接在正方向单向加载时的行为,单向加载时仅划分一个荷载步(位移为Δ=100mm),分若干个子步,根据单向荷载作用下的荷载-位移曲线确定屈服位移Δｙ=20mm。本文模拟分析的过程在梁端施加强制的位移,初始位移为屈服位移的20%,每次每级位移增量约为20%,当试件屈服前,每级荷载循环1次;屈服后,依次增加2、3、4、5倍屈服位移,每级荷载循环2次。加载制度如图4所示。2节点滞回性能试验结果通过改变螺栓数目、盖板宽度及厚度、悬臂梁段长度这4个参数,衍生出一系列分析试件,分析这些参数对该新型梁柱装配式节点滞回性能的影响。本文一共进行了4组16个试件的循环加载分析。各组试件尺寸及分析结果如下。2.1滞回性能对比为了研究螺栓数目对新型梁柱装配式节点滞回性能的影响,设计了DM组试件,它们分别为BASE、DM-1、DM-2和DM-3试件,尺寸如表1所示。采用等强设计方法设计的BASE试件拼接螺栓数目为翼缘6个,腹板6个,在此设计基础上,考虑增加和减少螺栓数目对该新型节点滞回性能的影响。采用比BASE试件减少20%拼接螺栓的DM-1、DM-2试件和增加20%左右拼接螺栓的试件DM-3与BASE试件对比。在循环荷载作用下,BASE及DM试件的滞回曲线如图5所示。从形状上看,BASE试件的滞回曲线明显比DM-1饱满,DM-2、DM-3试件的滞回性能则优于BASE试件,直到破坏都没有出现荷载突变现象,说明试件没有出现螺栓滑移。DM-1试件在梁端位移达到2.5Δｙ时螺栓出现了滑移,但该试件仍能完成5Δｙ的位移循环。BASE及DM-1~DM-3试件达到极限位移时的承载力分别为127.2kN、112.9kN、131.7kN和131.5kN。可见,减少螺栓数目会使节点的极限承载力下降,而增加螺栓数目则会使节点的延性和极限承载力有所提高,但提高的幅度不大。2.2不同板栗宽度的滞回曲线为了研究盖板宽度对新型梁柱装配式节点滞回性能的影响,设计了GW组试件,它们分别为GW-1、GW-2、GW-3和GW-4试件,尺寸如表2所示。GW组试件是盖板宽度由140mm增加到240mm的试件组,该组试件的滞回曲线如图6所示。由图可见,宽度为180mm的GW-2的滞回曲线不如BASE试件的饱满。GW-3为盖板宽度增至220mm的试件,适当增加盖板长度可以得到滞回性能较好的节点试件。而当盖板长度增加到240mm时,试件的滞回曲线呈现出梭形。GW组试件达到极限位移时的承载力分别为135.6kN、113.8kN、135.8kN、121.3kN。由以上分析可知改变盖板宽度对节点延性有一定的影响。2.3板厚度对节点性能的影响为了研究盖板厚度对新型梁柱装配式节点滞回性能的影响,设计了GT组试件,它们分别为GT-1、GT-2、GT-3和GT-4试件,尺寸如表3所示。该组试件在循环荷载作用下的滞回曲线如图7所示。比较GT-1~GT-4试件的滞回曲线可以看出,盖板厚度对连接节点性能有较明显的影响。适当增加盖板厚度,其滞回曲线将更加饱满,延性更好,初始刚度增大,极限承载力有较大提高,原因在于增大盖板厚度,可以减少螺栓中的杠杆力,对螺栓受力有利。但当盖板厚度增加到2倍梁翼缘厚度时,节点的滞回性能明显减弱,达到极限位移时的承载力降低为98.7kN。综合以上对梁上、下翼缘盖板宽度和厚度的分析,可以看出,当盖板横截面积与梁翼缘板横截面积的比值在0.58~1.05之间时,该新型梁柱装配式节点在梁端位移为50mm左右时,螺栓即出现滑移,节点的滞回曲线呈梭形,延性较差;而当其比值在1.3~2.0之间时,节点的耗能能力较低,但当其比值在1.05~1.30之间时节点表现出良好的延性及耗能能力,因此盖板横截面积与梁翼缘板横截面比值宜控制在1.05~1.30之间。2.4节点的滞回特性为了研究悬臂梁段长度对新型梁柱装配式节点滞回性能的影响,设计了XBL组试件,它们分别为XBL-1、XBL-2、XBL-3、XBL-4、XBL-5和XBL-6试件,尺寸如表4所示。对于该新型梁柱装配式节点,悬臂梁段的长度对节点的滞回有较大影响。《高层民用建筑钢结构技术规程》［５］中要求:悬臂梁段的长度一般距柱轴线不超过1.6m。文献指出拼接节点一般设在内力较小的位置,但考虑施工安装的方便,通常是设在距梁端1/10跨长或两倍梁高范围之外并不大于1.6m。为了得到该新型梁柱装配式节点适当的悬臂梁段长度,对不同悬臂梁段长度节点的滞回性能进行了分析,XBL组试件的滞回曲线如图8所示。可以看出,试件的滞回曲线受悬臂梁段长度的影响明显。XBL-1、XBL-2试件在梁端位移为40mm、50mm时出现拼接滑移,达到极限位移时的承载力分别为106.3kN、107.5kN,这比BASE试件降低了15%,而XBL-3、XBL-4试件的滞回曲线形状较为饱满,没有出现螺栓滑移,XBL-5、XBL-6试件出现了螺栓滑移,同时达到极限位移时的承载力分别为113.5kN、105.5kN,由此可见拼接位置对试件的内力影响较大:当悬臂梁段长度与梁高的比值在1.3~1.7之间时,该新型梁柱装配式节点在梁端位移为50mm左右时,螺栓即出现滑移,节点的滞回曲线呈梭形,耗能能力较差;而当其比值在2.0~2.8之间时,节点的耗能能力较低,但当其比值在1.7~2.0之间时,节点表现出良好的延性及耗能能力。同时为了便于构件的运输和安装,建议悬臂梁段长度取1.7~2.0倍梁高为宜。3节点安装的影响由等强设计方法设计的基本试件的延性和耗能能力较好,在此基础上分别研究了螺栓数目、盖板宽度及厚度、悬臂梁段长度对节点的极限承载力和延性的影响。得到以下结论: