一種裝配式鋼結構梁貫通式節點數值模擬

寧 廣 段海濤 夏 亮 崔 偉

(北京中天元工程設計有限責任公司，北京 100142)

1 概述

無論工業建筑還是民用建筑，無論多層建筑還是高層建筑，國內鋼框架結構受傳統施工工法影響，通常梁柱節點均采用柱貫通形式，雖然也有梁貫通的節點做法，但相對較少，并且國內針對梁貫通節點的抗震性能研究也不多。國外采用梁貫通節點形式的鋼框架多層住宅，在高烈度地震區的應用已有超過50年歷史。國外工程師的研究和實踐經驗表明[1]，梁貫通式節點鋼框架具有良好的抗震性能，并且可以更適應工業化要求制定相關標準，進行設計、加工、安裝，更有利于國家對于裝配式鋼結構的推廣。

本文以北京市順義區某三層別墅項目為例，如圖1所示，對其采用的裝配式鋼結構梁貫通、柱端板連接節點進行了數值模擬，從而研究了其抗震性能。

2 有限元模型的建立

2.1 節點構造

裝配式鋼結構梁貫通式節點主要由貫通梁、柱以及端板組成。貫通梁采用工字型鋼，截面尺寸為HN250×125×6×9，梁腹板在與柱翼緣對應位置處設置加勁肋，加勁肋厚度為6 mm。梁上下翼緣按一定的模數開有螺栓孔，這樣鋼柱可以自由移動，滿足建筑方面對空間、立面等要求。另外，在實際工程中梁跨度一般較長，為了模擬梁柱節點的受力狀態和變形形態，將梁跨取為4 m。鋼柱同為工字型鋼，截面尺寸為HN259×107×6×9。構件均在工廠預制，在施工現場使用10.9級M16高強螺栓進行端板連接，節點具體連接構造見圖2。

2.2 單元選用和網格劃分

采用Abaqus有限元軟件建立裝配式鋼結構梁貫通式節點模型，模型構件均采用實體單元C3D8R。分析過程中，充分考慮了材料非線性、幾何非線性和接觸非線性。網格密度的大小根據構件尺寸及分析需求進行調整。本文綜合考慮分析精度和計算代價，將貫通梁主體的網格大小定為90 mm，柱網格大小為75 mm，梁柱節點核芯區、端板和加勁肋為25 mm。

2.3 材料非線性和幾何非線性

模型構件采用Q235鋼材，采用Von Mises屈服準則和隨動強化準則。材料的彈性部分通過彈性模量和泊松比來定義，彈性模量取E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3。最終得到Q235鋼材和高強螺栓應力應變關系如圖3，圖4所示。在Abaqus中，為考慮幾何非線性，需將Step功能模塊中的Nlgeom設為On，這樣在計算過程中就可以考慮結構大變形的影響。在高強螺栓與端板接觸處、端板與貫通梁翼緣接觸處通過定義摩擦系數為0.3的切向摩擦接觸加上法向硬接觸來模擬[2]。

2.4 加載制度和邊界條件

參照JGJ/T 101—2015建筑抗震試驗規程[3]的相關規定，以框架的層間位移角控制模擬加載，模擬的加載歷程為：1/350,1/250,1/200,1/133,1/100,1/67,1/50,1/33和1/25，均為2個循環。為防止梁柱節點發生面外失穩，施加面外約束；柱端施加290 kN的豎向軸力，相當于0.4的軸壓比，柱端按鉸接處理，梁端施加上下位移模擬加載。

3 有限元結果分析

3.1 應力應變分析

表1和表2分別為梁貫通式節點在主要層間位移角下所受的應力和等效塑性應變。從中可以看出，梁貫通式節點的應力和應變隨著加載層間位移角的增加而增加；當層間位移角達到1/250，即抗震規范[4]中規定鋼結構彈性位移角限值時，梁貫通式節點各部件均未進入塑性，仍處于彈性狀態；當層間位移角達到1/100時，梁貫通式節點各部件均已基本進入塑性狀態；在層間位移角為1/25時，梁貫通式節點最大應力為420 MPa，最大等效塑性應變為0.4，已經基本達到Q235鋼材的極限強度，視為梁貫通式節點已經破壞；在同級層間位移角下，核芯區梁腹板所受應力和應變最大，加勁板所受應力和應變最小，核芯區梁翼緣、柱端和端板所受應力和應變基本相同；梁貫通式節點主要通過核芯區梁腹板的剪切變形耗能；圖5和圖6分別為梁貫通式節點在層間位移角為1/50時的應力云圖和等效塑性應變圖。

表2 梁貫通式節點在主要層間位移角下的等效塑性應變PEEQ

3.2 滯回曲線和骨架曲線

圖7和圖8分別為整個梁貫通式節點的滯回曲線和骨架曲線。從中可以看出，在開始加載階段，力與位移呈線彈性關系，滯回環狹長，基本不耗能，正負向加載剛度也比較對稱；隨著位移的增加，構件開始進入塑性階段，力與位移不再是線彈性關系，剛度開始下降，滯回環增大，構件開始耗能。滯回環整體呈梭形，說明梁貫通式節點耗能良好，符合剛性節點的特征。從骨架曲線中可以看出，荷載隨位移的增加而增加，曲線沒有出現下降是因為在鋼材材性定義時沒有定義下降段。當層間位移角達到1/250，梁貫通式節點仍處于彈性狀態，滿足規范要求。結合工程實際經驗，當層間位移角達到1/25時，結構變形顯著增大，P-δ效果影響增大，此時鋼柱容易出現平面外失穩，故可以將其視為梁貫通式節點的極限狀態。

3.3 耗能能力

節點的耗能能力直接反映了節點的抗震性能，以等效粘滯阻尼系數ξe來表示節點的耗能能力。等效粘滯阻尼系數ξe=E/2π，E為能量耗散系數。能量耗散系數越大，則結構變形時的能耗就越大，就越有利于抗震。能量耗散系數的計算方法見圖9及式(1)。

(1)

其中，SABC,SACD為滯回曲線與X軸所圍的面積；SΔOBE,SΔODF為三角形OBE和三角形ODF的面積。

取層間位移角為1/25時的荷載位移滯回曲線為研究對象，經過計算，梁貫通式節點的等效粘滯阻尼系數為0.38，抗震性能優于普通梁柱節點。

4 核芯區梁腹板厚度的影響

經過以上分析，梁貫通式節點主要通過核芯區梁腹板的剪切變形進行耗能，有必要對核芯區梁腹板厚度這一影響因素進行進一步的參數化分析。在原模型的基礎上分別焊接厚度為4 mm,6 mm和10 mm的鋼板，見表3，用于對比研究核芯區梁腹板厚度對梁貫通式節點的承載力、剛度、抗震性能等的影響。

圖10為不同焊接鋼板厚度下梁貫通式節點的骨架曲線對比。從中可以看出，在處于彈性階段時，不同焊接鋼板厚度下的梁貫通式節點的骨架曲線基本重合，說明焊接鋼板對于梁貫通式

節點剛度的提高影響不大；在梁貫通式節點進入塑性階段后，隨著焊接鋼板厚度的增加，相同層間位移角下所施加的荷載也明顯隨之增加，在層間位移角為1/50時，試件GB-3施加的荷載為44.05 kN，是試件BASE承載力的1.55倍，表明焊接鋼板有利于提高梁貫通式節點的承載力；試件BASE,GB-1,GB-2的應力應變發展規律基本相同，均通過核芯區梁腹板的剪切變形耗能，而試件GB-3的耗能則主要由核芯區梁腹板轉移到核芯區梁翼緣，并且此時核芯區上下鋼柱側向屈曲明顯，主要原因是由于焊接鋼板過厚，相對增加了梁柱節點核芯區的剛度；從表4可以看出，隨著焊接鋼板厚度的增加，GB組試件的等效粘滯阻尼系數依次減小，表明焊接鋼板厚度增加，并不能提高梁貫通式節點的抗震性能。綜上，建議實際工程中可以在梁柱節點核芯區焊接厚度不大于原鋼梁腹板厚度的鋼板，以提高梁貫通式節點的承載力。

表3 GB組試件尺寸明細表

表4 GB組試件等效粘滯阻尼系數

試件編號BASEGB-1GB-2GB-3等效粘滯阻尼系數0.380.360.320.29

5 結論與建議

1)梁貫通式節點構造簡單，施工方便，易于工業化預制，有利于裝配式鋼結構的推廣，特別適宜應用于低多層鋼結構住宅。

2)梁貫通式節點在達到抗震規范中規定鋼結構彈性位移角限值之前時，各部件均處于彈性狀態；梁貫通式節點主要通過核芯區梁腹板的剪切變形耗能，抗震性能優良。

3)建議實際工程中可以在梁柱節點核芯區焊接厚度不大于原鋼梁腹板厚度的鋼板，以提高梁貫通式節點的承載力。