自復位鋼框架結構中樓板剛度的影響研究

白潤山 劉 宏 卜娜蕊 趙思思

(1.河北建筑工程學院,河北 張家口 075000;2.河北省張家口市宣化區(qū)交通運輸局,河北 張家口 075100)

自復位鋼框架結構中樓板剛度的影響研究

白潤山1劉 宏1卜娜蕊1趙思思2

(1.河北建筑工程學院,河北 張家口 075000;2.河北省張家口市宣化區(qū)交通運輸局,河北 張家口 075100)

通過ANSYS有限元分析軟件針對自復位鋼框架結構有無樓板的受力性能進行分析研究，經過分析，在單向集中荷載或對稱反向集中荷載下的作用下，樓板對自復位梁柱節(jié)點約束性能良好，提高了整體結構的抗震性能，很大程度上減小了框架的擴展性.

預應力;自復位;半剛性

0 引 言

1994年美國北嶺地震和1995年日本阪神地震給傳統(tǒng)的鋼結構設計帶來了承重的一擊，震后造成了鋼結構節(jié)點的脆性破壞，雖然節(jié)點能夠修復再用，但經過改造后的節(jié)點如果再次遭遇大地震，主體結構仍會產生殘余變形，這就意味著P-Δ效應加劇，削弱了結構的整體抗震性能，導致結構局部屈曲甚至倒塌，造成震后修復的極大浪費.為了增強結構的抗震性能，減少震后修復費用，美國和日本的專家學者致力于研究一種能產生塑性變形、消能減震，較小的節(jié)點殘余變形，甚至能恢復原來狀態(tài)的抗震結構，之后參考了混凝土中預應力的作用，發(fā)明了一種新型的能在震后恢復原來狀態(tài)的鋼結構—自復位鋼結構.這種結構主要由三部分組成：搖擺連接件、復位元件及耗能裝置.2000年，Ricles和Garlock[1]將預應力與半剛性節(jié)點相結合，提出了PT(Post-Tensioned connection)節(jié)點，并對其進行了定義，且Garlock于2007年給出了針對此類節(jié)點的具體設計步驟和流程圖.之后，在此基礎上，自復位節(jié)點有了進一步的發(fā)展.Constantin Christpoulos等人[2]將PT節(jié)點中的耗能角鋼用耗能鋼條替換，定義新型自復位節(jié)點—PTED節(jié)點，并利用DRAIN-2DX軟件對比分析了帶有PTED節(jié)點和傳統(tǒng)焊接節(jié)點框架的受力性能，對比結果表明PTED節(jié)點延性很大，造價與傳統(tǒng)鋼框架相當，修理費用低，適于應用.之后，人們各種耗能構件的PTED節(jié)點，如梁頂底翼緣設置螺栓固定的摩擦鋼板耗能、采用摩擦阻尼器耗能等.潘振華等對阻尼器耗能進行ABAQUS參數分析，證實了這種節(jié)點具有良好的復位、耗能能力.2013年，考慮到框架擴展現象的影響，Darling將梁柱分開，增加梁的繞動空隙，地震中使柱距保持不變.目前，學者們已在自復位結構節(jié)點做了較為深入的研究，但對于樓板對節(jié)點乃至整個結構的影響研究分析的還太少，而本文主要是在前人研究的基礎上，研究樓板對自復位梁柱節(jié)點的性能的影響.

1 有限元分析

為了便于分析和計算，ANSYS為我們提供了190多種結構單元類型[3]，本文根據實際情況，用10節(jié)點SOLID92單元模擬梁柱、角鋼、加勁肋以及螺栓頭、栓體和螺帽，SOLID45單元模擬樓板，LINK10單元模擬鋼絞線.接觸單元選用CONTA173和TARGE170來模擬，預應力單元選用預應力單元PRETS179.本文中幾何尺寸模型及荷載參數采用單層單跨的鋼框架進行設計，梁、柱、樓板分別采用焊接H形鋼Q345，主梁尺寸H×B×T1×T2=400×300×10×15(mm)，鋼柱尺寸H×B×T1×T2=400×400×14×21(mm).本文涉及兩種材料，一類是梁柱板件、角鋼、鋼絞線；另一類是螺栓、螺母，其中梁柱、加勁肋、角鋼，鋼絞線的E=2.06×1011N/mm2，μ=0.3，fy=3.45×108N/m2，ρ=7890 Kg/m3，螺栓E=2.1×1011N/mm2，μ=0.3，fy=6.4×108N/m2，ρ=7890 Kg/m3，梁柱板件、角鋼、鋼絞線材料采用多線性隨動強化模型，螺栓、螺母材料采用雙線性隨動強化模型.材料的屈服強度遵守Von-Mises屈服準則，強化階段采用隨動強化準則.

本文中的框架節(jié)點是從整體結構中截取出來，采用足尺模型分析計算，寬厚比與高厚比均符合現行相關規(guī)范的要求，建模過程中主要分析了板的厚度不同和初始預應力不同的情況下，梁中性軸的變化、梁內彎曲正應力分布情況，節(jié)點彎矩M與變形轉角γ的關系.ANSYS軟件分析時，對模型進行了適當的簡化，如對焊接引起的變形和應力集中不加考慮，將栓頭、柱帽簡化為圓柱體，忽略螺栓頭和螺帽與梁和柱翼緣的接觸問題等[4,5].

本文采用周期荷載加載方式，進行擬靜力分析，采用通過位移控制荷載的加載方式，為了保證結果的準確性，經過實際計算，從7.8 mm的位移量加載，并以每級位移增量7.5 mm循環(huán)遞增至90 mm左右，即2%最大塑性層間移角時停止加載.

利用有限元進行求解時，考慮到二階效應，所以需要采用大變形非線性求解,在軟件中通過NLGEOM,ON來激活大應變效應，分析結構受力，最終得到剛度退化曲線和彎矩—轉角曲線，分別如圖1、圖2所示.

圖1 梁柱節(jié)點剛度退化曲線 圖2 梁柱節(jié)點M-θr曲線

根據現有研究成果，主梁進入塑性的程度不同，板的有效寬度不同，兩者之間是一個遞增的關系，一般，我們認為，在節(jié)點完全進入塑性，樓板的有效寬度為柱翼緣的2倍，本文中主要是考慮樓板厚度等的影響，所以按最符合實際的情況進行考慮，樓板的有效寬度均取柱翼緣寬度的2倍.圖3、圖4、圖5分別是在樓板有效寬度為2倍柱翼緣寬度時，不同板厚下節(jié)點轉角-彎矩圖，由圖中彎矩的變化情況，可以看出，相同轉角下，樓板的厚度越大，節(jié)點彎矩越大，兩者成線性增長關系，之后隨著梁柱節(jié)點的持續(xù)受力，轉角雖然增加，但彎矩趨于平穩(wěn)，對比分析樓板有無，可以看出相同轉角下，無樓板節(jié)點所受彎矩較大，以上分析說明，在整個結構受力過程中，節(jié)點雖然承受了大部分的力的作用，是我們進行結構計算時考慮的主要方面，但分析結果表明，樓板亦對節(jié)點具有相當的約束作用，不能忽視其對節(jié)點擴展性能的影響.

圖3 試件板厚100 mm樓板對節(jié)點性能的影響 圖4 試件板厚130 mm樓板對節(jié)點性能的影響

除了分析了樓板對整個節(jié)點受力性能的影響，本文還分析了在相同板厚和樓板有效作用寬度下，預緊力大小對自復位鋼框架整體性能和承載力的影響，主要是通過在ANSYS12.0中改變初始預應力的大小，從而進行進一步的分析和計算.圖6、圖7、圖8分別是在板厚100 mm，樓板有效寬度為柱翼緣2倍，初始預應力分別為100 KN、120 KN、130 KN下分析得出的節(jié)點滯回曲線圖形，由這三個圖可以看出，首先，節(jié)點的滯回曲線滿足自復位節(jié)點的標準滯回曲線模型，圖形呈中心對稱，自復位能力良好；其次，對比分析結果，當初始預拉力很小時，角鋼在很小的位移下就會出現塑性變形；隨著初始預拉力的增加，結構的剛度和承載能力逐漸增強；在循環(huán)荷載作用下，當位移荷載回復至零時，初始預拉力較小結構的恢復能力相對較弱，不利于自復位作用.

圖5 無樓板節(jié)點性能 圖6 鋼絞線初始預應力100 KN

圖7 鋼絞線初始預應力120 KN 圖8 鋼絞線初始預應力130 KN

2 結 論

有限元分析結果表明，樓板的存在確實導致了框架受力性能的不同，且隨著樓板厚度的增加，在相同轉角下，節(jié)點彎矩增加，框架擴展增強.此外，在自復位結構中，初始預拉力的大小，對結構的剛度和承載能力有很明顯的影響，由以上結果得知，在鋼框架結構的設計中應對現澆樓板予以合理的考慮，并結合實際工程施加適當的預應力，耗能能力和自復位性能得到充分發(fā)揮.

[1]RICLES J,SAUSE R,GARLOCK M,et al.Experimental studies on post-tensioned seismic resistant connections for steel frames [M].Proc,STESSA 2000 Conference.2000:231～238

[2]CHRISTOPOULOS C,FILIATRAULT A,UANG C-M,et al.Post-tensioned energy dissipating connections for moment-resisting steel frames[J].Journal of StructuralEngineering,2002,128(9)：1111～1120

[3]尚曉江，邱峰，趙海峰，李文穎.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用[M].北京：中國水利水電出版社，2006

[4]劉浩,等.ANSYS 15.0有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014

[5]王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M].北京：人民交通出版社，2007

Research on the Influence of Floor Stiffness in Self-centering Steel-frame Structure

BAIRun-shan1,LIUHong1,BUNa-rui1,ZHAOSi-si2

(1.Hebei University of Architecture,Zhangjiakou,Hebei Province 075000;2.Xuanhua Transportation Bureau,Xuanhua District,Zhangjiakou City,Hebei Province 075100)

The stress performance of steel-frame structure with and without floor is analyzed by ANSYS finite element analyzing software. Under the action of the one-way concentrated load or symmetry-reverse concentrated load,the constraint performance of floor on the self-centering beam-column joints is good,which can improve the seismic performance of whole structure,largely reducing the framework of extensibility.

prestress;self-centering;semi-rigid

2016-12-15

白潤山(1965-)，男，教授，主要從事鋼結構、組合結構與混合結構，新型結構體系及材料，裝配式建筑結構等研究.

劉宏(1990-)，女，在讀碩士研究生.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.02.007

TU 3

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