鋼框架梁端加強-螺栓全拼接節點的抗震性能有限元分析

張艷霞， 葉全喜， 王路遙

(北京建筑工程學院 土木與交通工程學院，北京 100044)

在1994年北嶺地震和1995年阪神地震中，許多鋼結構梁柱節點都發生了脆性破壞［1，2］。此后，實現塑性鉸外移成為國內外鋼框架梁柱節點改進的主要方向。本文提出的梁端加強-螺栓全拼接節點可以有效的避免工地焊縫，實現全螺栓連接，施工非常方便［3］。本文應用ABAQUS有限元軟件分別對鋼框架梁端加強-單蓋板螺栓全拼節點、梁端加強-雙蓋板螺栓全拼節點的抗震性能進行了分析。該方法的可行性已通過分析結果與試驗結果對比得到證實［4，5］。

1 梁端加強-翼緣單蓋板螺栓全拼接節點非線性有限元分析

1.1 試件尺寸、模型圖及實驗加載制度

圖1 試件有限元模型

圖2 試件網格劃分

1.2 塑性鉸形成及發展

圖3為構件在不同層間位移角作用下的PEMAG云紋圖，由此可以看出塑性鉸的形成和發展。當層間位移角到達0.03 rad時，梁翼緣蓋板末端開始屈服;0.05 rad時，梁翼緣的屈曲部位面積增大，且屈曲部位開始由翼緣慢慢向腹板蔓延;待層間位移角到達0.06 rad時，位于梁翼緣蓋板末端處的塑性鉸完全形成。在整個加載過程中，梁端焊縫均未屈服。

表1 梁端加強-翼緣單蓋板螺栓全拼接節點尺寸

表2 加載制度

圖3 塑性鉸的形成和發展

1.3 滯回曲線及骨架曲線

如圖4所示，由骨架曲線可以明顯看出，試件在整個加載過程中節點的承載能力始終處于上升階段，并未出現下降。

由滯回曲線可以看出，梁端加強-單蓋板螺栓全拼接節點滯回曲線飽滿，滯回環的面積較大，但滯回環總體上呈現出“平行四邊形”。取滯回曲線中最后一個完整的滯回環計算等效黏滯阻尼系數he=0.672，說明節點具有較好的耗能能力。

梁端加強-單蓋板螺栓全拼接節點有限元分析所得節點的屈服荷載、極限荷載以及延性系數見表3所示。根據表中數據可知，節點的延性系數大于4，說明節點具有較好的延性性能。

表3 有限元計算結果各參數分析

1.4 梁總轉角及塑性轉角

梁的塑性轉角是評價節點耗能能力的重要指標，FEMA［1］規定剛性連接試件在破壞時的塑性轉角至少達到0.03 rad。

從圖5可以看出，梁端總轉角為0.059 rad，塑性轉角為0.037 rad，塑性變形占總變形的62.7%。其中塑性轉角大于0.03 rad，滿足FEMA［4］的規范要求，節點具有較好的耗能能力。

2 梁端加強-翼緣雙蓋板螺栓全拼接節點非線性有限元分析

2.1 試件尺寸、模型圖及實驗加載制度

梁端加強-翼緣雙蓋板螺栓全拼接節點除上，下拼接板厚為8 mm外，其余尺寸與梁端加強-翼緣雙蓋板螺栓全拼接節點相同。加載制度與梁端加強-翼緣單蓋板螺栓全拼接節點相同。

圖4 有限元分析滯回曲線和骨架曲線

圖5 節點的總轉角及塑性轉角

2.2 塑性鉸形成及發展

圖6 試件有限元模型

圖7 試件網格劃分

圖8為構件在不同層間位移角作用下的PEMAG云紋圖。由圖8可以看到，層間位移角到達0.03 rad時，梁翼緣蓋板末端開始屈服;隨著層間位移角的增加，梁翼緣末端屈服面積繼續增大，待層間位移角到達0.05 rad時，梁翼緣的屈曲部位開始由翼緣慢慢向腹板蔓延;待層間位移角到達0.06 rad時，位于梁翼緣削弱處的塑性鉸完全形成。在整個加載過程中，梁端焊縫均未屈服。

2.3 滯回曲線及骨架曲線

由試件的骨架曲線可以明顯看出，試件在整個加載過程中節點的承載能力始終處于上升階段，并未出現下降。

由圖9可以看出，與梁端加強-單蓋板螺栓全拼接節點相同，梁端加強-雙蓋板螺栓全拼接節點滯回曲線飽滿，滯回環的面積較大，但滯回環總體上沒有呈現出鋼結構節點滯回曲線特有的“梭形”，而是呈現出“平行四邊形”。取滯回曲線中最后一個完整的滯回環計算等效黏滯阻尼系數he=0.660，說明節點具有較好的耗能能力。

梁端加強-雙蓋板螺栓全拼接節點有限元分析所得節點的屈服荷載、極限荷載以及延性系數見表4所示。根據表中數據可知，節點的延性系數大于4，說明節點具有較好的延性性能。

表4 有限元計算結果各參數分析

2.4 梁總轉角及塑性轉角

梁的塑性轉角是評價節點耗能能力的重要指標，FEMA［1］規定剛性連接試件在破壞時的塑性轉角至少達到0.03 rad。

從圖10中可以看出，梁端總轉角為0.059 rad，塑性轉角為0.036 rad，塑性變形占總變形的61.0%。其中塑性轉角大于0.03 rad，滿足FEMA［1］的規范要求，節點具有較好的耗能能力。

3 結論

(1)單蓋板螺栓全拼接節點和雙蓋板螺栓全拼接節點可以有效的避免工地焊縫，安裝方便，并且都能很好的實現塑性鉸外移，達到保護梁端焊縫、提高節點延性及耗能能力的目的。

(2)兩種試件的塑性轉角分別為0.037 rad、0.036 rad，均滿足了剛性節點在破壞時的塑性轉角至少達到0.03 rad的要求;總轉角均為0.051 rad，都滿足梁端總轉角≥0.05 rad的要求，說明這兩種節點具有良好的塑性變形能力;節點延性系數均大于4，表明該節點具有良好的延性性能;節點的滯回曲線飽滿，滯回環面積大。其中等效黏滯阻尼系數分別為0.672、0.660，均大于4，說明這兩種節點具有較好的耗能能力。

(3)由表3、表4數據對比可知:雙蓋板螺栓全拼接節點的屈服荷載、極限荷載、延性系數都比單蓋板螺栓全拼接節點大，也就是說雙蓋板螺栓全拼接節點的承載能力、耗能能力都略優于單蓋板螺栓全拼接節點。但單蓋板螺栓全拼接節點較具有施工簡便、降低造價的優勢，其施工工作量明顯小于雙蓋板螺栓全拼接節點。因此可以根據具體要求適當選取這兩種節點，應用于實際工程中。

［1］FEMA-350，Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings［S］.

［2］Kim T，Kim J.Collapse analysis of steel moment frames with various seismic connections［J］.Journal of Constructional Steel Research，2009，65(16):1316-1322.

［3］01SG 519，多、高層民用建筑鋼結構節點構造詳圖［S］.

［4］王路遙，張艷霞，劉金瑤，等.鋼結構梁柱擴翼型節點抗震性能的有限元分析［C］.第二屆全國工程安全與防護學術會議論文集，2010，8:785-790.

［5］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.