鋼框架梁柱節點加腋加固方法研究

陳 濤 沈正偉 崔海濤 黃炳生

（南京工業大學土木工程學院，南京 211816）

0 引 言

某鋼框架結構房屋為3跨3層建筑，現澆混凝土樓屋面，梁柱連接設計采用腹板螺栓連接、翼緣全熔透對接焊接的剛性節點，但施工單位沒有按照設計和規范要求焊接，鋼梁翼緣與柱翼緣有些沒有對接焊接，有些通過附加板、塞鋼筋與柱翼緣焊接，焊接質量差，導致結構安全性不能滿足要求。由于混凝土樓屋面已經澆筑，且鋼梁翼緣與柱翼緣間隙有些過大或過小，無法對焊縫進行補焊。而建筑使用功能的要求，又不能增設柱間支撐，因此需要研究梁柱連接節點如何進行加固達到梁柱剛性連接，以保證整體結構的安全。本文提出采用梁端加腋方法進行加固，分別對三角形腋、矩形腋及組合腋加固梁柱連接節點后的受力性能進行有限元分析，為實際工程加固提供依據。

針對1994年美國北嶺（Northridge）地震中出現的大量鋼框架梁-柱剛性連接脆性斷裂的現象，許多學者提出了改善節點性能的構造方法，梁端加腋是其中方法之一。Uang對4個地震前抗彎連接足尺試驗破壞節點在梁下翼緣加三角腋修復后，循環性能得到明顯改善，但需對上翼緣要么加強，要么采用高韌性焊縫替代原焊縫［1］，下部三角形加腋試驗顯示比僅梁下翼緣削弱試件性能要好，在上翼緣為地震前焊縫條件下，當塑性轉動為0.012～0.02弧度時試件斷裂，但上翼緣焊縫斷裂后，強度退化慢，加腋仍與柱和梁下翼緣連在一起［2-3］。有組合樓板的加腋試件表現出卓越的性能，連接的塑性轉角超過了0.027～0.03弧度而沒有焊縫斷裂［2～4］。Lee等［5］提出了焊接直腋抗彎連接的簡化分析模型和細部構造建議。Asada等［6］提出了采用高強度螺栓和焊接連接的梁端矩形加腋，可以防止梁端焊縫斷裂，節點的累積塑性變形能力比未加固節點大1.5～2倍。

國內對鋼框架加腋節點也開展了研究。與目前流行的削弱梁截面的改進型節點比較，加腋型梁柱焊接節點具有更大的塑性轉角與更強的抗震性能［7］；梁的跨高比對加腋節點性能具有重要影響，加腋并非對所有鋼框架剛性節點都有效，提出了新的鋼框架加腋節點簡化計算模型［8］；加腋不僅能夠使梁柱剛性節點的塑性鉸外移，而且能夠提高節點屈服剛度、極限荷載、能量耗散能力、位移延性和塑性轉動能力［9-10］；劉永娟等［11］對十字形三角腋節點的抗震性能試驗研究表明，隨著腋長的增大，加腋節點的承載力變大且塑性轉角和總轉角均增大，耗能能力有所增加，隨著腋高的增大，承載力減小且塑性轉角和總轉角均減少，耗能能力有所減小。帶樓板的抗震承載力高于不帶樓板，但耗能能力有所減小；劉永剛［12］針對某鋼結構框架施工失誤造成的結構受力缺陷采用兩種方案進行梁柱連接節點補強，通過節點滯回分析及對比，選擇了最為合適的加固方案。黃長城等［13］采用局部增設鋼支撐對不規則鋼框架結構進行抗震加固。曹輝等［14］對鋼框架梁柱節點通過梁翼緣焊接蓋板進行加固，對其受力性能進行了有限元分析。

本文的節點加腋與上述鋼框架剛性節點加腋和節點加固不同，梁上翼緣與柱認為沒有連接，通過加腋使其達到梁柱的剛性連接。

1 有限元模型建立

1.1 分析模型參數選取

以梁柱邊節點為研究對象，如圖1所示，Hc、Hb分別為柱高和梁高；Lc，Lb分別為柱長和梁長，各取框架整體分析中反彎點長度，柱長3 300 mm，梁長851 mm；柱截面尺寸為H400×340×10×16，梁截面尺寸為H300×180×6×8；圖1（b）和圖1（c）中l，h和t分別表示腋長度、腋高度和腋翼緣厚度；圖1（d）中l1，l2，t和h分別表示組合腋中矩形腋長度、三角形腋長度、腋翼緣厚度及腋高度。其中，腋的腹板厚度與梁腹板厚度相同，均取6 mm，腋翼緣厚度與梁翼緣厚度相同，均取8 mm，沿梁下翼緣位置在柱上設置加勁肋，并在梁腋與梁連接處設置加勁肋，試件GJ表示上下翼緣焊接完好的正常梁柱節點，如圖1（a）所示。其余節點試件為梁上翼緣與柱未焊接、梁下翼緣與柱全熔透焊接的加固梁柱節點，鋼梁腹板及腋腹板與柱翼緣為角焊縫連接，具體尺寸見表1。

表1 梁柱節點試件尺寸Table 1 Size of beam-column joints

圖1 梁柱節點構造Fig.1 conformation of T-shaped beam-column joints

1.2 模型建立

采用有限元Abaqus分析軟件進行數值模擬。分析時采用C3D8R實體單元，柱頂及柱腳均采用鉸接，并約束柱繞Z軸轉動，約束梁端的側向位移及繞梁長度方向轉動。選用細化網格的實驗方法劃分網格，對關鍵部位局部細化，如圖2所示。鋼材選用理想彈塑性材料模型，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，屈服強度為345 MPa。材料服從Von Mises屈服準則。試件GJ模型中鋼梁翼緣及腹板均與鋼柱綁定連接。加腋節點模型中鋼梁上翼緣與柱分離，鋼梁下翼緣、腹板及腋下翼緣、腹板與鋼柱翼緣綁定連接。采用位移加載分析，在柱頂施加恒定軸力，梁端截面耦合到截面形心，在該點施加豎向位移進行加載。

圖2 加固節點網格圖Fig.2 Mesh diagram of reinforced joints

2 有限元結果分析

通過對上述14個模型的數值分析，得到梁柱常規剛性節點和梁腋加固節點的承載能力和破壞形式，并對不同梁腋的腋長和腋高進行參數化分析。

2.1 剛度和延性

梁腋加固后梁柱節點的剛度K和延性見表2。根據破壞荷載法確定梁柱節點的屈服荷載Py，當梁柱連接節點繼續加載而荷載不再增加即為極限荷載Pu，屈服荷載Py與極限荷載Pu所對應的位移分別為wy和wu，節點延性用μ=wu/wy表示。

表2 剛度和延性Table 2 Stiffness and ductility

由表2可知，加腋節點SJY-3或JXY-2的剛度均已接近焊接完好常規剛性節點GJ的剛度，隨著梁腋尺寸的加大，節點剛度增大，相同梁腋尺寸下，矩形腋加固后節點的剛度提高幅度明顯大于三角形腋，組合腋加固節點剛度提高位于三角形腋與矩形腋之間，并且當組合腋的l1越大時，即組合腋越接近矩形腋時，剛度提高越多。由延性系數μ可知，加腋加固節點的延性系數均大于焊接完好常規剛性節點GJ的延性系數，并且隨著梁腋尺寸的加大，無論是三角腋還是矩形腋，節點的延性系數均增大，組合腋加固節點的延性系數位于三角形腋和矩形腋之間，并且當組合腋的l1越大時，即組合腋越接近矩形腋時，延性提高越多。

2.2 承載能力

表3和圖3給出了加腋節點的承載力。常規剛性節點的屈服荷載Py0為222 kN，極限荷載Pu0為235 kN，分別用參數α=Py/Py0、β=Pu/Pu0來表示梁腋加固后節點屈服荷載和極限荷載的提高系數。

表3 試件節點承載力Table 3 Bearing capacity of specimens

圖3 不同加腋節點的承載能力Fig.3 Load carrying capacity of different reinforced joints

由表3和圖3可知，加腋節點SJY-4或JXY-2已經達到了預想的加固效果，節點均超過了焊接完好常規剛性節點的承載能力，當腋高和腋長均為梁高的1.5倍時，三角形腋加固節點SJY-3承載能力略低于常規節點GJ的承載能力，而矩形腋腋高和腋長均為梁高的1.33倍時加固節點JXY-2承載力大于常規節點GJ的承載能力，達到了預想加固效果。組合腋的加固效果介于三角形腋與矩形腋之間，ZHY-3近似達到預想的加固效果，并且當組合腋的l1越大時，即組合腋越接近矩形腋時，加固節點承載力越大。隨著梁腋的腋高和腋長的增大，梁柱節點的屈服荷載和極限荷載也隨之增大。

2.3 節點應力分布和破壞模式

圖 4（a）、（b）、（c）和（d）分別為SJY-3、SJY-4、JXY-2和JXY-3節點達到極限荷載時的應力云圖，圖5表示試件GJ上下翼緣、SJY-3和JXY-3在極限荷載下梁柱接觸截面的鋼梁下翼緣和腋下翼緣應力分布曲線，圖6（a）、（b）、（c）分別表示試件GJ上下翼緣、SJY-3和JXY-3鋼梁下翼緣和腋下翼緣在梁柱接觸截面處縱向應力發展曲線。

圖4 加固節點應力云圖Fig.4 Stress nephogram of reinforced joints

圖5 極限荷載下應力分布曲線Fig.5 Stress distribution curve under ultimate load

圖6 節點應力發展曲線Fig.6 Stress development curve of joints

由圖4至圖6的應力分布及發展曲線可知，節點GJ梁柱接觸截面完全進入塑性，翼緣中部的應力高于翼緣邊緣的應力，隨著荷載的增加翼緣中部和邊緣都進入塑性。三角形梁腋和矩形梁腋的翼緣的應力發展基本同節點GJ，鋼梁下翼緣中部首先進入塑性，隨著位移的增加，三角形梁腋的下翼緣的應力增大，矩形梁腋的下翼緣中部隨著荷載的增大而逐漸進入塑性，翼緣邊部未進入塑性。達到極限荷載時，三角形梁腋和矩形梁腋與柱接觸截面的部分區域已經進入塑性。腋長較小時，三角形梁腋為下翼緣受壓屈曲破壞，腋長增大，三角形梁腋梁柱接觸截面最終完全進入塑性而破壞，矩形梁腋為梁腋加勁肋板受壓屈曲破壞。

2.4 影響因素分析

2.4.1 腋長l影響

腋高h為450 mm，腋長l分別為450 mm、565 mm及675 mm時，三角形腋和矩形腋加固后梁柱節點的承載能力及荷載位移曲線見表4、圖7和圖8。

圖7 荷載與腋長關系曲線Fig.7 Load-haunch length curvs

圖8 荷載與位移關系曲線Fig.8 Load-displacement curves

表4 腋高為450 mm時梁腋加固節點承載能力Table 4 Load carrying capacity of reinforced joints（h=450 mm）

當腋高為1.5倍梁高時，由表4和圖7、圖8可知，梁腋長度越大，三角形腋和矩形腋加固后節點的剛度、屈服荷載和極限荷載也隨之增大，但兩者的增長幅度相異。當腋長為1.5倍梁高時，矩形腋加固后屈服荷載和極限荷載均已達到GJ節點的承載能力，而三角形腋未達到加固效果，當腋長增大為1.88梁高時，三角形腋加固后節點承載能力高于GJ節點，由表4可知，同樣的腋長加固，矩形腋加固節點后的承載能力提高幅度明顯優于三角形腋加固節點。

2.4.2 腋高h影響

腋長l為450 mm，腋高h分別為300 mm、400 mm及450 mm時，三角形腋和矩形腋加固后梁柱節點的承載能力及荷載位移曲線見表5、圖9和圖10。

表5 腋長為450 mm時梁腋加固節點承載能力Table 5 Load carrying capacity of reinforced joints（l=450 mm）

圖9 荷載與腋高關系曲線Fig.9 Load-haunch height curves

圖10 荷載與位移關系曲線Fig.10 Load-displacement curves

從表5、圖9和圖10可知，當腋長為1.5倍梁高時，隨著梁腋高度的增加，三角形腋和矩形腋加固后節點的剛度、屈服荷載和極限荷載也隨之增加。當梁腋高度與梁高相同時，三角形腋和矩形腋的加固效果相近，但均未達到焊接完好時常規剛性節點GJ的承載能力，當梁腋高度增加至1.5倍梁高時，矩形腋的承載能力高于GJ節點而三角形腋的承載能力仍低于GJ節點，表明梁腋高度越大，矩形腋的承載能力提高幅度大于三角形腋。

3 結論

（1）對于本工程這類梁柱節點進行加固時，矩形梁腋在腋高是梁高1.33倍，腋長是梁高1.5倍時可以達到常規梁柱剛性節點的承載能力，而三角形梁腋則需要在腋高是梁高1.5倍，腋長是梁高1.88倍才能達到常規節點的承載能力，組合梁腋尺寸要求介于矩形梁腋和三角形梁腋之間。

（2）三角形梁腋和矩形梁腋加固后梁柱節點的截面應力發展與焊接完好時常規剛性節點基本相同，三角形梁腋腋長較小時發生翼緣受壓屈曲破壞，腋長增大后梁柱接觸截面全截面進入塑性而破壞，矩形梁腋為梁腋加勁肋板受壓屈曲破壞。

（3）隨著梁腋高度和長度的增加，T形梁柱節點剛度、延性和承載能力均有提高，但增大幅度不同。梁腋高度越大，延性提高效果越好；隨著梁腋長度的增加，節點剛度和承載能力提高效果越好。建議采用梁腋加固時，梁腋長度在滿足承載能力的情況下，梁腋高度可以適當加大。