鋼結(jié)構(gòu)平面偏心框架力學(xué)性能分析

趙 丹，許育文

（1.杭蕭鋼構(gòu)有限公司海南分公司，海南 儋州 578101；2.東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

地震作為一種突發(fā)性的自然災(zāi)害，嚴(yán)重影響著工程結(jié)構(gòu)的安全性。因此，隔震減震成為了工程中的重要研究方向。鋼結(jié)構(gòu)建筑是當(dāng)今應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)建筑，其中梁柱節(jié)點(diǎn)是鋼結(jié)構(gòu)建筑體系中重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件之一。為此，提高鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震性能是結(jié)構(gòu)研究的重要課題。在傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計中，大多采用純焊接為代表的剛性節(jié)點(diǎn)。在1994年美國Northridge地震和1995年日本Kobe地震中，傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)建筑的梁柱連接節(jié)點(diǎn)發(fā)生了脆性破壞，結(jié)果表明其并沒有發(fā)揮通過構(gòu)件塑性變形來吸收地震能量的作用。焊接形式的不同不僅會影響焊接的質(zhì)量，還會影響制作成本和結(jié)構(gòu)性能。此后，對鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點(diǎn)的研究廣泛展開。

為了使梁板柱便于安裝，有些建筑結(jié)構(gòu)中會使梁向外平移，從而導(dǎo)致框架中梁柱軸線不重合，即形成偏心節(jié)點(diǎn)，此類現(xiàn)象在實際工程中廣泛存在。呂鋒等為研究梁偏心對方鋼管混凝土柱-鋼梁連接的內(nèi)隔板式節(jié)點(diǎn)的抗震性能的影響，用ANSYS建立該節(jié)點(diǎn)的非線性有限元分析模型，通過梁相對于柱的不同位置在反復(fù)荷載作用下所得的滯回曲線進(jìn)行對比，得出梁偏心對該節(jié)點(diǎn)影響的大小。施正捷等為了對提出的梁柱偏心節(jié)點(diǎn)的受力特征進(jìn)行分析，通過有限元數(shù)值模擬的方式，對偏心模型進(jìn)行受力分析。表明偏心節(jié)點(diǎn)核心區(qū)存在明顯的三維扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，以及梁柱截面的畸變翹曲效應(yīng)。但是目前對于H型鋼梁-H型鋼柱偏心節(jié)點(diǎn)的研究較少。

針對以上研究現(xiàn)狀，文章將以多層多跨偏心平面鋼框架為研究對象，對框架偏心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行水平荷載作用下的力學(xué)性能研究。通過數(shù)值有限元模擬對模型進(jìn)行單向加載，分析其力學(xué)性能。

1 有限元結(jié)構(gòu)設(shè)計和模型概要

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為模擬分析梁柱偏心節(jié)點(diǎn)在整體鋼框架的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，故不考慮結(jié)構(gòu)本身的建筑適用功能屬性。如圖1所示，選擇以3層3跨鋼框架結(jié)構(gòu)為研究對象，其中梁長為6 000 mm，柱高為4 000 mm，梁構(gòu)件截面為H-350×200×20×22 mm，柱構(gòu)件截面為H-350×300×24×28 mm?？蚣荏w系中梁柱節(jié)點(diǎn)為焊接，梁向外平移，使梁柱軸線不重合，形成偏心節(jié)點(diǎn)。

1.2 有限元模型框架

3層3跨鋼結(jié)構(gòu)偏心平面框架結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型圖

梁柱構(gòu)件采用彈塑性8節(jié)點(diǎn)實體單元Soild185，網(wǎng)格劃分方式采用映射劃分，對于梁柱節(jié)點(diǎn)域區(qū)域進(jìn)行較細(xì)的劃分，對于其他區(qū)域進(jìn)行較粗的劃分，單元尺寸控制為100 mm。梁柱采用Q235B材料，材料的彈性模量為205 000 MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為235 MPa，極限強(qiáng)度為306 MPa，泊松比為0.3。有限元模型中，材料模型選用服從Voin-Mise屈服準(zhǔn)則的雙線性等向強(qiáng)化模型（BISO），考慮材料非線性和幾何非線性。

在有限元模型中，柱腳采用固接連接，約束柱腳截面節(jié)點(diǎn)的所有自由度。在梁柱的接觸設(shè)置中，將梁柱接觸設(shè)置為綁定接觸，等同于焊接。

2 有限元分析

在有限元數(shù)值分析中，采用單調(diào)加載方式對多層多跨平面鋼框架進(jìn)行加載。根據(jù)相關(guān)建筑設(shè)計規(guī)范，以1∶1.45∶2.39的比例對框架中的第一層、第二層和第三層施加的水平荷載。對多層多跨框架施加水平荷載進(jìn)行抗震性能分析。分析內(nèi)容如下：

2.1 層間剪力和層間變形角的關(guān)系分析

通過有限元分析可得到多層多跨平面鋼架的水平荷載與層間變形角關(guān)系分析。各層在外荷載作用下都從彈性階段進(jìn)入了塑性階段。將切線剛度達(dá)到初始剛度的1/3處的荷載值定義為其屈服點(diǎn)。其具體結(jié)果如表1所示。從表中可以得知，1層的初始剛度以及屈服荷載最大。其中1層的初始剛度為3層初始剛度的2.05倍，1層屈服荷載為3層屈服荷載的2.09倍。3層的初始剛度以及屈服荷載最小，2層的初始剛度以及屈服荷載居中。且由表1可以發(fā)現(xiàn)，各層的屈服層間變形角差異不大。

表1 多層框架結(jié)構(gòu)推覆分析結(jié)果

2.2 應(yīng)力響應(yīng)分析

由表1可知，1層層間變形角為0.0081rad時，偏心框架模型進(jìn)入屈服階段。為對比偏心節(jié)點(diǎn)主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)以及其破壞路徑，將1層層間變形角為0.0081rad時偏心框架的應(yīng)力云圖進(jìn)行進(jìn)一步的分析。其應(yīng)力云圖如圖2所示，偏心框架的最大應(yīng)力出現(xiàn)在1層的中間跨紅圈位置，即梁柱的節(jié)點(diǎn)域區(qū)域，其他位置的應(yīng)力響應(yīng)相對不明顯。且2層梁柱節(jié)點(diǎn)域區(qū)域的應(yīng)力響應(yīng)也較為明顯。

圖2 多層多跨框架應(yīng)力云圖

通過分析多層框架的應(yīng)力云圖，發(fā)現(xiàn)偏心節(jié)點(diǎn)對主體抗震性能有較大的影響。通過對后續(xù)模擬過程中整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，隨著變形的增大，框架的塑性破壞路徑終始于1層跨中梁柱節(jié)點(diǎn)域區(qū)域。

3 結(jié)論

偏心節(jié)點(diǎn)在建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用較多，對此應(yīng)對其進(jìn)行受力性能研究。以3層3跨偏心平面鋼框架為研究對象，通過有限元數(shù)值分析對其在單調(diào)荷載作用的力學(xué)性能以及力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

（1）對比各層初始剛度、屈服層間變形角和屈服荷載可知，1層初始剛度及屈服荷載最大，屈服層間變形角相差不大。

（2）偏心框架的應(yīng)力響應(yīng)始終集中于梁柱節(jié)點(diǎn)域，且偏心對框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)影響較大。