K形偏心支撐鋼框架的支撐節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊 揚(yáng), 錢德玲

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)體系具有中心支撐鋼框架剛度大和鋼框架結(jié)構(gòu)延性大、耗能能力好的優(yōu)點(diǎn)[1-6],適用于房屋高度超過50 m,抗震設(shè)防烈度為8、9度的高層民用建筑[7]。偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)體系中消能梁段是偏心支撐框架的“保險(xiǎn)絲”,在正常使用階段,偏心支撐具有較大的剛度,結(jié)構(gòu)側(cè)移較小;在大震作用下通過消能梁段的非彈性變形耗能,而支撐不屈曲[7]。為了確保耗能梁段充分發(fā)揮其自身的耗能特性,可靠的節(jié)點(diǎn)連接是非常必要的[8]。但是不合理的支撐節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[3]會(huì)導(dǎo)致耗能梁段屈服的同時(shí)，支撐節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力過大而與材料的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值接近,甚至支撐節(jié)點(diǎn)應(yīng)力超過耗能梁段的應(yīng)力[9]。

文獻(xiàn)[9]研究了偏心支撐節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的必要性,未開展相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,本文在此基礎(chǔ)上,結(jié)合文獻(xiàn)[7]對(duì)K形偏心支撐鋼框架支撐下節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了不同的設(shè)計(jì)(65組),得出在相同水平荷載作用下耗能梁段和支撐下節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力情況;總結(jié)了偏心支撐鋼框架耗能梁段屈服時(shí)支撐節(jié)點(diǎn)不屈服的支撐節(jié)點(diǎn)形式,以滿足偏心支撐鋼框架的抗震要求。進(jìn)而,在對(duì)多種形式的支撐節(jié)點(diǎn)分析中找到既滿足設(shè)計(jì)要求又對(duì)支撐節(jié)點(diǎn)應(yīng)力降低較多的節(jié)點(diǎn)形式。

1 規(guī)范說明

在K形偏心支撐框架中,支撐的軸線通過框架梁與柱軸線的交點(diǎn),支撐與框架梁柱的連接節(jié)點(diǎn)可以參考文獻(xiàn)[7]中心支撐與框架梁柱的構(gòu)造連接。對(duì)于H形截面支撐,在與梁和柱連接處梁和柱應(yīng)設(shè)置加勁肋,支撐通過節(jié)點(diǎn)板連接時(shí),節(jié)點(diǎn)板邊緣與支撐軸線的夾角不應(yīng)小于30°。文獻(xiàn)[9]對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头治龊蟮贸隽嗽贙形偏心支撐鋼框架中,不合理的支撐節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)會(huì)使耗能梁段在屈服的同時(shí),支撐節(jié)點(diǎn)處也發(fā)生了屈服,節(jié)點(diǎn)形狀改變后支撐節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力大幅減小,并且未發(fā)生屈服現(xiàn)象。

2 有限元分析

文獻(xiàn)[9-10]已經(jīng)驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)分析中采用有限元分析的有效性,本文采用與文獻(xiàn)[9]相同的建模過程和分析方法。

2.1 有限元模型的建立

有限元模型選取了文獻(xiàn)[7]的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù),設(shè)計(jì)尺寸如圖1所示,柱截面為H150×150×7×10,梁截面為H200×100×6×8,支撐截面為H100×100×6×8。支撐下節(jié)點(diǎn)形狀如圖2實(shí)線所示,建立了水平板處于水平位置和豎向板處于豎向位置的1個(gè)原始模型;以及節(jié)點(diǎn)處的水平板在豎向由① ～⑧ 逐漸改變,豎向板由A～H逐漸變化,不斷排列組合,共64個(gè)模型。鋼材等級(jí)為Q235B。彈性模量取E=2.06×1011N/m2, 泊松比μ=0.3, 采用理想彈塑性假定準(zhǔn)則,應(yīng)用有限元軟件ANSYS進(jìn)行非線性有限元分析,所有構(gòu)件采用實(shí)體單元solid185,各構(gòu)件連接處和柱腳采用剛接,限制鋼框架平面外變形。水平荷載以面荷載的形式單向加載,施加位置位于柱的最左端翼緣板與梁截面位置相對(duì)應(yīng)處。

圖1 偏心支撐鋼框架幾何尺寸

圖2 偏心支撐鋼框架支撐節(jié)點(diǎn)

2.2 模型分析結(jié)果

通過對(duì)所有模型進(jìn)行單向加載分析得出不同節(jié)點(diǎn)形式下K形偏心支撐鋼框架的內(nèi)力分布情況,從中得出K形偏心支撐鋼框架在相同水平荷載作用下所有模型耗能梁段、梁、柱和支撐的應(yīng)力變化不大,但是支撐節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力變化很大。當(dāng)水平荷載達(dá)到275 kN時(shí),耗能梁段腹板中部最大剪應(yīng)力為0.5fy;當(dāng)水平荷載達(dá)到290 kN時(shí),耗能梁段兩側(cè)剪應(yīng)力也達(dá)到0.5fy，出現(xiàn)剪切屈服；當(dāng)水平荷載為320 kN時(shí),耗能梁段等效應(yīng)力達(dá)到材料屈服強(qiáng)度,出現(xiàn)彎曲屈服。當(dāng)水平荷載為410 kN時(shí),耗能梁段出現(xiàn)塑性鉸。而不同支撐節(jié)點(diǎn)形式模型在相同水平荷載作用下支撐節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力卻變化很大,甚至有的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力超過耗能梁段應(yīng)力,在耗能梁段出現(xiàn)剪切屈服和彎曲屈服時(shí)支撐節(jié)點(diǎn)應(yīng)力與剪切屈服強(qiáng)度135.6 MPa和屈服強(qiáng)度235 MPa很接近,當(dāng)荷載再增加時(shí)支撐節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力區(qū)域面積增大。但有的模型支撐節(jié)點(diǎn)應(yīng)力較小,未出現(xiàn)屈服或推遲屈服。

對(duì)全部65個(gè)模型(1個(gè)原始試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?4個(gè)改變參數(shù)模型)在耗能梁段出現(xiàn)剪切屈服(水平荷載為290 kN)時(shí)的內(nèi)力進(jìn)行有限元分析，各模型支撐節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)果見表1所列。表1中，夾角為水平板與支撐軸線的夾角;當(dāng)水平板位置分別在① 、② 、③ 、④ 處時(shí),支撐節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力除①-G模型外,其余均在節(jié)點(diǎn)腹板與水平板和柱翼緣相交點(diǎn)處;當(dāng)水平板位置分別在⑤ 、⑥ 處時(shí),支撐節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力位于水平板下邊緣最外端處;當(dāng)水平板位置分別在⑦ 、⑧ 處時(shí),支撐節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力除⑦-A最大應(yīng)力在水平板與柱相連下邊緣最外端處外,其余均在水平板與柱相連上邊緣最外端處。不同支撐節(jié)點(diǎn)的剪應(yīng)力變化關(guān)系如圖3所示,不同支撐節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力變化關(guān)系如圖4所示。

表1 當(dāng)P=290 kN時(shí)各模型支撐節(jié)點(diǎn)最大剪應(yīng)力和等效應(yīng)力 MPa

圖3 不同形式支撐節(jié)點(diǎn)的剪應(yīng)力

從圖3a和圖4a可以看出,當(dāng)豎向板位置不變時(shí),支撐節(jié)點(diǎn)水平板分別在① 、② 、③ 、④ 位置處的支撐節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力隨著水平板位置的下移而顯著減小;而當(dāng)支撐節(jié)點(diǎn)水平板在⑤ 、⑥ 、⑦ 、⑧ 位置處時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)起伏變化。當(dāng)水平板在④ 、⑥ 、⑧ 位置時(shí)支撐節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力較小,且3個(gè)模型支撐節(jié)點(diǎn)應(yīng)力相差不大。

由圖3b、圖4b可知，當(dāng)水平板位置不變時(shí),節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化不顯著,支撐節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力隨著豎向板位置左移除①-G模型外而略有降低,總體變化不大。

圖4 支撐節(jié)點(diǎn)不同形式的等效應(yīng)力

在偏心支撐鋼框架設(shè)計(jì)中要考慮一些構(gòu)造要求,如在柱中分別與梁翼緣和支撐節(jié)點(diǎn)水平板相交位置,在梁中與支撐節(jié)點(diǎn)豎向板和支撐翼緣相交位置處設(shè)置加勁肋,加勁肋間距不能太近以免連接焊縫太近而影響鋼材的受力性能。最大應(yīng)力在水平板上由于材料厚度較小很容易發(fā)生局部失穩(wěn)而影響節(jié)點(diǎn)受力。考慮構(gòu)造要求并通過計(jì)算結(jié)果分析得出,此偏心支撐鋼框架支撐節(jié)點(diǎn)水平板在④ 位置,與支撐軸線夾角為21°,豎向板在E位置處比較合適。

3 模型對(duì)比分析

通過耗能梁段開始出現(xiàn)剪切屈服時(shí)各支撐節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的分布情況，得出了較合適的節(jié)點(diǎn)形式,現(xiàn)選出原模型、④-E模型、⑥-E模型和⑧-H模型,對(duì)這4個(gè)模型分別在不同水平荷載作用下進(jìn)行非線性有限元分析,結(jié)果如圖5所示。

圖5 4種模型在不同荷載作用下的最大應(yīng)力

從圖5可以看出,原模型應(yīng)力在鋼框架剪切屈服前支撐節(jié)點(diǎn)處最大應(yīng)力值高于耗能梁段應(yīng)力,剪切屈服后支撐應(yīng)力略小于耗能梁段應(yīng)力,但是數(shù)值較大,接近于材料抗剪強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度,剪切屈服后隨著水平荷載的增加支撐節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力增量很小,但是其最大應(yīng)力區(qū)域面積增加很大。而對(duì)于其他3種模型明顯可以看出，支撐節(jié)點(diǎn)處的剪應(yīng)力和等效應(yīng)力均低于耗能梁段腹板中部的應(yīng)力,當(dāng)水平荷載在380 kN或410 kN時(shí)才接近材料的抗剪強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。⑧-H模型各水平荷載下的支撐節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力小于其他3個(gè)模型,而與④-E模型、⑥-E模型2種模型支撐節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力接近。

4種模型支撐節(jié)點(diǎn)在耗能梁段達(dá)到剪切屈服、彎曲屈服和塑性鉸時(shí)的應(yīng)力分布如圖6所示,可明顯看出原模型的支撐節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力范圍大于其他3種模型。

圖6 4種模型支撐節(jié)點(diǎn)不同情況下的應(yīng)力分布

4 結(jié) 論

本文在前人研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一榀偏心支撐鋼框架模型,為了使偏心支撐鋼框架具有良好的耗能能力以及減小支撐節(jié)點(diǎn)應(yīng)力,在原模型基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了64個(gè)不同形式的支撐節(jié)點(diǎn)模型,并對(duì)其進(jìn)行了分析對(duì)比。

通過對(duì)65個(gè)偏心支撐鋼框架模型在耗能梁段出現(xiàn)剪切屈服時(shí)的有限元分析，找出了支撐節(jié)點(diǎn)應(yīng)力較小的3個(gè)模型。并對(duì)原模型及這3個(gè)模型在不同水平荷載作用下進(jìn)行了有限元分析,通過分析得出原模型在耗能梁段剪切屈服時(shí)支撐節(jié)點(diǎn)剪應(yīng)力和等效應(yīng)力均大于耗能梁段相應(yīng)應(yīng)力,且應(yīng)力值均較大并接近鋼材的抗剪強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。耗能梁段出現(xiàn)剪切屈服后原模型的支撐節(jié)點(diǎn)

最大應(yīng)力值增量很小，但是應(yīng)力最大值區(qū)域面積增加較多。而在不同水平荷載作用下其他3個(gè)模型支撐節(jié)點(diǎn)應(yīng)力明顯與原模型相比減小很多。而3個(gè)模型在相同水平荷載作用下支撐節(jié)點(diǎn)應(yīng)力接近。

由于所有模型構(gòu)件均為理想構(gòu)件,沒有考慮實(shí)際缺陷的影響,因此3個(gè)模型具體哪一種更有利于結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將在后續(xù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)中得以檢驗(yàn)。