鋼框架焊接節點局部屈曲累積損傷分析

王 萌，石永久，王元清

(清華大學土木工程系，100084北京，wangmeng1117@gmail.com)

近年來，高層建筑在我國大量興建，高層鋼框架結構的抗震已成為結構工程界重點研究和關注的問題，高層鋼框架在強烈地震作用下破壞和倒塌是由于結構的部分構件和節點發生屈服、屈曲、斷裂，造成結構的恢復力退化，產生不可恢復的塑性變形造成的，是一種低周疲勞累積損傷破壞［1-2］.其倒塌或破壞的發生具有3類模態:(1)延性破壞:梁端出現塑性鉸，發生局部屈曲，出現逐漸退化的現象(退化曲線趨勢如圖1(a)所示).(2)脆性破壞:裂紋在焊趾的部分或者母材中發展最終導致斷裂，承載力迅速退化，破壞之前沒有征兆，構件沒有明顯的退化現象(退化曲線趨勢如圖1(b)所示).(3)混合破壞:破壞過程介于延性破壞和脆性破壞之間，結構一開始不出現明顯退化的現象，隨著局部屈曲現象以及裂紋的發展而出現退化現象［3-4］.而如何提高結構的延性，避免出現脆性破壞是值得探究的議題.國內外很多學者對這方面進行研究［3-7］，希望通過構造形式以及節點的設計，使得破壞位置遠離梁端部的焊縫區域，從而改善節點的受力性能(圖1(c)).結果表明:采取措施使得節點梁板件屈曲耗能而不是焊縫斷裂破壞是提高節點延性以及提高抗震性能的有利途徑.由于試驗成本高，三維有限元模型計算代價過高，在高層鋼框架結構抗震分析中往往采用桿系模型，但是此模型難以反應節點由于局部屈曲導致明顯的強度剛度退化現象，可能造成對節點性能的過高估計，存在不安全因素.因此，在構件階段尋找局部屈曲損傷退化的影響因素以及退化特征對改進桿系模型計算的準確性顯得尤為重要.

本文通過對局部屈曲損傷試驗的總結歸納，分析局部屈曲累積損傷影響因素.采用通用有限元軟件ABAQUS，建立鋼框架梁柱節點的非線性有限元模型，應用典型試驗結果，驗證了本文建立的有限元模型的準確性和適用性.通過算例參數分析，對鋼框架梁柱節點局部屈曲累積損傷現象進行深入探討，提出不同控制因素下損傷退化規律，為提出考慮損傷退化的桿系模型提供有力的工具.

圖1 低周疲勞累積損傷破壞模式

1 屈曲損傷試驗分析

國外學者［3-7］為研究節點構造以及加載制度對于節點受力性能和破壞模式的影響，進行了一系列試驗，表1對其進行總結歸納.

Castiglioni等［3］所用歐洲型鋼，研究剪切域的強弱對于節點破壞模式的影響.表1中可以看出剪切域弱的節點(BCC5系列)，由于剪切域有較大變形，梁不會發生明顯的局部屈曲，導致耗能主要發生在剪切域，梁的薄弱位置仍然在梁與柱連接的部分，導致最終焊縫斷裂，發生脆性破壞.在加載較大位移荷載的時候(±75 mm)，延性有明顯的降低，BCC5系列僅循環4圈就由于焊縫突然斷裂而破壞.

Ricles等［6］所用美國型鋼，所有節點梁柱截面相同，剪切域和梁柱連接的部分構造有所不同.加強剪切域和連接構造部分對于節點的延性有很大的提高，剪切域變形很小，耗能主要源于梁發生局部屈曲，最終發生延性破壞.

Krawinkler等［4-5］所用美國型鋼，翼緣寬厚比不同對于破壞模態有較大影響:翼緣寬厚比大(B2系列)，梁發生局部屈曲，強度逐步退化，最終在翼緣發生局部屈曲的地方鋼板斷裂破壞;而翼緣寬厚比小的節點(B1系列)，在相同的位移加載條件下滯回圈數少，并且并不發生明顯的退化現象，在焊接的部分出現突然斷裂，發生脆性破壞.加載不同的位移幅值對于結構的延性以及耗能能力都有較大的影響，幅值越大，滯回圈數減少，退化越明顯.

從試驗歸納總結可得:節點的損傷退化和翼緣寬厚比、加載制度、剪切域強度、節點域構造形式均有很大關系.圖2可看出不同剪切域強度的節點其延性不同，梁轉動所占比例不同;梁轉動變形所占比例越高，節點的局部屈曲退化愈明顯，越容易發生延性破壞，避免出現焊縫斷裂所導致的脆性破壞.雖然強度剛度有退化的現象，但對于整體性能影響不大，反而有利于提高結構的抗震性能.

圖2 節點轉角組成部分比例分配對比分析［3，6］

表1 局部屈曲累積損傷試驗總結歸納［3-6］

2 有限元模型與試驗驗證

僅依靠試驗手段難以建立完整的體系，所以建立準確的有限元模型進行參數分析顯得尤為重要.為驗證本文建立的有限元模型對模擬局部屈曲累積損傷退化現象的準確性及適用性，選取了陳宏［8］，Castiglioni［3］，Krawinkler［4］等的試驗進行驗證.

2.1 有限元模型

鋼框架焊接節點梁柱部分在ABAQUS中采用四節點縮減積分殼單元(S4R)進行模擬.鋼材本構取雙折線強化應力-應變曲線，根據材性試驗確定.有限元計算模型的邊界條件、側向約束以及加載制度與典型試驗一致.

為準確模擬節點的局部屈曲現象，需要對節點施加初始缺陷.利用Buckle求解命令計算節點的屈曲模態，再利用ABAQUS中的imperfection命令對結構施加初始缺陷［9］.

2.2 陳宏等人試驗

陳宏等［8］的試驗選取常規多層鋼框架結構在側向荷載作用下梁柱反彎點之間典型單元.梁柱均為焊接H型鋼，梁柱截面尺寸根據文獻［10］的要求確定(圖3(a)、(b))，采用焊接孔擴大的方式改進節點受力性能(圖3(a)).采用Q235B鋼材.試件加載裝置如圖3(b)所示.

試件的計算荷載-位移(P-Δ)曲線和試驗滯回曲線以及典型破壞形態對比如圖3(a)、(c)、(d)所示.可以看出有限元模型可以對節點的局部屈曲現象有較好的模擬.

圖3 陳宏等試驗有限元對比分析

2.3 Castiglioni等人試驗

Castiglioni等［3］為研究節點域強弱對節點受力性能的影響.梁柱節點采用歐洲型鋼.采用S235鋼材.試件加載裝置如圖4(a)所示.

試件的計算荷載-位移(P-Δ)曲線和試驗滯回曲線的對比如圖4(b)所示，節點發生明顯局部屈曲現象，強度發生明顯退化.從圖中可以看出有限元模型可以對節點的局部屈曲現象有較好的模擬.

圖4 Castiglioni等試驗有限元對比分析

2.4 Krawinkler等人試驗

Krawinkler等［4-5］為研究鋼結構節點的損傷退化現象進行節點梁局部屈曲試驗.采用A36鋼材.試件加載裝置和截面尺寸如圖5(a)所示，為防止發生整體失穩，在梁端增加側向支撐，保證其側向穩定性.

試件計算等幅加載的荷載-位移(P-Δ)曲線和試驗滯回曲線以及典型破壞形態的對比如圖5(b)、(c)所示，節點發生明顯局部屈曲現象，強度發生明顯退化.圖5(d)所示單調曲線和逐級滯回曲線的對比，可以看出由于往復的塑性應變累積，造成退化現象.

圖5 Krawinkler等試驗有限元對比分析

3 屈曲損傷特征分析

3.1 影響參數設計

標準節點如圖6所示.對所有的模型按照一階屈曲模態施加梁長的1/1 000作為節點的初始缺陷.

影響退化的主要參數有:剪切域強度、加載順序、加載幅值、翼緣寬厚比、屈服強度等.算例選取5種系列(表2)進行參數分析，從而歸納得到各個因素的影響規律.S系列考察剪切域強弱不同對于節點退化性能的影響;T系列考察加載位移相同，加載位移的順序不同對于節點退化性能的影響;R系列考察加載圈數相同的等位移加載，幅值不同對于節點退化性能的影響;Q系列考查加載制度一致，不同翼緣寬厚比對于節點退化性能的影響;P系列考察加載制度相同，不同鋼材屈服強度對于節點退化性能的影響.

圖6 算例分析節點說明(mm)

表2 算例試件參數

3.2 剪切域強度影響(S系列)

從圖7可以看出，與前述試驗總結相似，剪切域強的節點承載力和剛度都比剪切域弱的節點高.S1由于塑性應變累積作用發生局部屈曲，強度剛度逐級發生退化，而剪切域基本不發生變形;S2由于剪切域變形耗能，因而不會發生局部屈曲以及退化現象.在相同的加載制度下，S1比S2具有更好的耗能能力，梁變形所占的比重更多，可使破壞發生梁的翼緣屈曲鋼板斷裂，而不是在薄弱的焊縫處，使得結構發生延性破壞.所以在節點的抗震設計中不僅要考慮承載力方面的因素，還要考慮可能會導致的破壞模式，通過局部加強，改變節點的破壞模式，防止焊縫斷裂，提高結構的延性和耗能能力.

圖7 S系列對比分析結果

3.3 加載不同幅值影響(R系列)

強度退化的程度是實際幅值位移所對應的承載能力與單調加載幅值位移所對應的承載能力的差值ΔF與單調加載幅值位移所對應的承載能力Fp的比值ΔF/Fp.從圖8可以看出，當位移小于某位移值時，基本不發生退化，說明退化與累積的塑性變形有關，當大于此值時發生明顯的退化現象;繼續加載，塑性應變累積導致局部屈曲出現急劇的退化變化，此階段僅發生在很少的圈數內，起始位置隨著幅值的減少而逐漸增大，退化的程度也逐漸降低;第三階段退化再次進入平緩階段，隨著位移的增大，出現逐步穩定平緩退化.

3.4 不同加載順序的影響(T系列)

T系列進一步研究退化特征和塑性變形的關聯性.圖9(a)～(d)、(g)由于在大位移的情況下，強度發生退化現象，所以再次加載小圈的時候，不會按照單調的骨架曲線進行，而且在退化圈以內繼續.而退化的程度和每個滯回幅值所對應的起始退化點位置有關，但所有退化的最終值基本一致，說明退化程度與塑性變形有直接關系.不同的加載順序滯回能耗散程度略有不同，但差異均在4%以內，說明不同加載雖然退化路徑不同，但是對于能量的耗散基本一致.圖9(e)～(f)系列對比目的為模擬地震從小到大和從大到小變化輸入的區別.在循環荷載作用下，由于塑性應變累積節點發生明顯的退化現象.圖9(h)可以看出對于延性較好的情況可以看到，先進行大震退化起始早，能量耗散相對小;但是兩者退化最終基本一致，穩定于一值.但如果結構延性較差，結構會由于焊縫開裂導致提前破壞，在大震作用下退化程度快，會嚴重影響結構的整體受力性能.

圖8 R系列對比分析結果

3.5 翼緣不同寬厚比的影響(Q系列)

節點發生局部屈曲與翼緣的寬厚比有很大的關聯，而不同的寬厚比退化的起始位置和程度也有所不同.從圖10中可以看出寬厚比越大，退化的起始位置越早，退化的程度越大，這也是由于寬厚比越大，節點的一階屈曲模態值越小，導致會比翼緣寬厚比小的節點提前發生退化現象，但是從圖中可以看出，在第三階段退化的速率不相同，最終也有趨于一值的趨勢.

3.6 鋼材屈服強度影響(P系列)

P系列考察節點完全相同，加載制度相同，不同鋼材屈服強度對于節點退化性能的影響.從退化圖11上可以看出，不同的屈服強度對于起始位置有一定的影響，但是整體趨勢基本一致，說明鋼材的屈服強度對其影響不大.

3.7 影響因素總結分析

3.7.1 局部屈曲損傷退化曲線分析

根據算例參數分析可以得到局部屈曲損傷退化曲線呈現明顯的三折線形式(圖12).

1)第一階段(O-A):非退化階段

A為局部屈曲退化起始點，可看作出現退化的臨界值.在此滯回圈之前，基本上不發生退化現象，此位置與荷載幅值、板件寬厚比、加載順序、剪切域強弱以及鋼材屈服強度均有密切的關系.幅值越大，屈服強度越低，寬厚比越大，A點出現的越早.

2)第二階段(A-B):明顯退化階段

在A點之后B點之前，由于塑性應變累積使得板件局部屈曲，從而出現第二階段迅速的變化并且此階段僅發生在很少的圈數內節點強度發生較大的退化.B點的位置隨著幅值增大、屈服強度越低、寬厚比越大而減小;A-B斜率也隨著幅值大、寬厚比大、屈服強度低而增大.對于延性好的節點，如果在此階段之后破壞，那么退化進入穩定的階段，但如果結構延性較差，結構會由于焊縫開裂導致提前破壞，會嚴重影響結構的整體受力性能.

3)第三階段(B-C):穩定退化階段

在B點之后，退化現象趨于穩定，退化程度不再增長，基本穩定在30%附近，所有的情況最終趨于同一值.

圖9 T系列對比分析結果

圖10 Q系列對比分析結果

圖11 P系列對比分析結果

圖12 局部屈曲損傷退化曲線

3.7.2 節點的耗能能力

結合典型試驗，以S1、T1、R3、Q3、P1為標準，比較節點的耗能能力(表3).在加載相同圈數的條件下，剪切域越強耗能能力越強;在加載制度相同順序不同的情況下，雖然退化的路徑和形式不同，但耗能能力基本一致，相差在4%以內;翼緣寬厚比在滿足規范要求的情況下，寬厚比越大耗能能力越強，這主要是由于提高了節點的承載抵抗能力，并且退化現象對其耗能的影響并不明顯.從對比結果可以看出，節點的耗能對于加載順序以及退化走勢并不敏感，耗能能力是節點本身的性質.

表3 算例試件計算結果匯總

4 結論

1)建立鋼框架節點非線性有限元計算模型在宏觀破壞形態和局部屈曲等方面與典型試驗結果均吻合良好，驗證了模型的合理性和準確性.

2)通過對已有國外試驗歸納總結可得:翼緣寬厚比、加載制度、剪切域強度、節點域構造形式為影響節點損傷退化的因素.

3)通過參數分析得到鋼框架焊接節點局部屈曲累積損傷退化分布曲線形式，分析影響因素，進而得到節點強度退化的規律，為提出考慮損傷退化的桿系模型提供有力的工具.

4)剪切域強弱對于節點的破壞模式有較大影響，節點的抗震設計中不僅要考慮承載力方面的因素，還要考慮可能會導致的破壞模式，通過局部加強，改變節點的破壞模式，防止焊縫斷裂，提高結構的延性和耗能能力.

5)對于延性較好的情況，先進行大震退化起始早，能量耗散相對小;但是兩者退化最終基本一致，穩定于一值.但如果結構延性較差，結構會由于焊縫開裂導致提前破壞，在大震作用下退化程度快，會嚴重影響結構的整體受力性能.

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