鋼框架擴翼型節點的有限元分析與試驗對比★

韓學建 桑 勇

(重慶單軌交通工程有限責任公司，重慶 400081)

0 引言

在1994年的美國北嶺地震以及1995年的日本阪神地震中，發生了大范圍的連接脆性破壞，破壞程度由細小的微裂紋到完全的柱截面斷裂破壞不等［1-3］。塑性鉸外移是解決鋼框架連接抗震性能問題的有效途徑，而梁端翼緣擴翼型節點是實現塑性鉸外移的一種有效方法。近年來，國內外對考慮塑性鉸外移的梁端翼緣擴翼型節點的研究已取得了一定成果，但由于起步較晚，有關的試驗資料非常有限，也缺乏相應的理論研究，因此對梁端翼緣擴翼型節點做深入系統的研究是非常必要的。

1 有限元模型

本文在模型建立的過程中，對Solid92實體單元施加約束時，對試件柱的上下端施加X，Y，Z三個方向的固定約束，在梁的自由端施加X方向的約束，對梁端截面的所有節點進行Y方向位移耦合，外力相當于梁的平面外約束，以位移的方式施加于耦合面的主節點上。分析中為了突出節點構造對節點性能的影響，忽略了焊接殘余應力和高強螺栓的影響。

2 試驗驗證

試驗按真實結構尺寸1∶2的比例設計，試件的梁柱截面尺寸及擴翼參數見表1，節點連接的構造示意圖見圖1，圖2，參照我國JGJ 99-98高層民用建筑鋼結構技術規程的規定將梁腹板端頭上下角切割成扇形缺口，切口半徑為35 mm［4］。

圖1 試件WFS-1擴翼部分

表1 試件截面尺寸及擴翼參數

圖2 試件WFS-2擴翼部分

2.1 破壞形態對比

破壞形態對比如圖3，圖4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 WFS-1塑性鉸區

2.2 滯回曲線

通過對比可以看出，試驗得到的試件滯回曲線與有限元模擬得到的試件滯回曲線非常吻合。說明有限元模擬時所選用的材料本構關系及模擬時采用的單元類型等一系列設置均與實際較為符合［5］。

圖4 WFS-2塑性鉸區

3 試件分析結果對比

ANSYS模型分析結果與試驗結果如表2所示。

表2 循環荷載作用下試驗值與模擬值結果對比

滯回曲線如圖5～圖8所示。

圖6 WFS-1梁端荷載—位移滯回曲線（試驗結果）

圖5 WFS-1梁端荷載—位移滯回曲線（有限元分析）

圖7 WFS-2梁端荷載—位移滯回曲線（有限元分析）

通過對比試驗值與模擬值可以看出:節點的屈服荷載、極限荷載及延性系數的有限元計算值與試驗值比較接近，因此對于梁端擴翼型節點用ANSYS來分析是可靠的;節點的塑性轉角及總轉角均超過了3%rad和5%rad，滿足抗震性能最低標準;試件隨著擴翼段長度的變長，塑性轉角逐漸減小，塑性轉角占總轉角的比例也逐漸減小，耗能能力逐漸降低;采用梁端擴翼型梁柱連接后塑性轉角在總轉角中所占的比重較大，其耗散能量的作用比較有效。

圖8 WFS-2梁端荷載—位移滯回曲線（試驗結果）

試件的屈服荷載和極限荷載及延性系數的有限元模擬值比試驗值大，主要是由于ANSYS軟件中對于焊縫難以模擬，且試件在加工中存在鋼材材質不均勻、節點焊接殘余應力、構件初始偏心、焊接熱和加工誤差等ANSYS軟件難以模擬的因素。

4 結語

1)根據試驗中的擴翼型節點試件，建立與試驗節點相對應的三維有限元模型，采用ANSYS有限元分析軟件對試驗模型進行了循環荷載下的有限元計算，得到的梁端加載點荷載—位移滯回曲線均形狀飽滿，呈豐滿的紡錘狀，模型中選取的單元類型材料本構關系是合理的。

2)節點的屈服荷載、極限荷載及延性系數的有限元計算值與試驗值比較接近，因此對于梁端擴翼型節點用ANSYS來分析是可靠的。

3)用梁端擴翼型梁柱連接后塑性轉角在總轉角中所占的比重較大，其耗散能量的作用比較有效，試件隨著擴翼段長度的變長，塑性轉角逐漸減小，塑性轉角占總轉角的比例逐漸減小，耗能能力逐漸降低。

［1］ Nakashima M，Inoue K，Tada M.Classification of Damage to Steel Building Observed in the 1995 Hyogoken-Nanbu Earthquake［J］.Engineering Structures，1998，20(4):271-281.

［2］ AISC，SPSecial Task Committee on the Northridge Earthquake.American Institute of Steel Construction，Chicago，1994.

［3］ William E.Gates，Manuel Modern.Professional Structural Engineering Experience Related to Welded Steel Moment Frames Following the Northridge Earthquake［J］.Engineering Structures，1998，20(4):249-260.

［4］ 顧 強.鋼結構滯回性能及抗震設計［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［5］ 邱法維，錢稼茹.結構抗震試驗方法［M］.北京:科學出版社，2000.