碳纖維增強復合材料增強鋼框架肋板的節點滯回性能分析*

王 璐，菅鳳俠

（西安工商學院，陜西西安 710119）

經濟發展水平的不斷提升促使人們對建筑形式、空間、質量等多方面的要求逐漸增多，在21世紀，我國總建筑量創歷史新高［1-3］。回顧2008年的汶川地震可知，建筑倒塌在造成巨大經濟損失的同時，還會危及人們的生命。碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP）作為一種高強材料［4］，能夠使各類材料的優勢得以充分發揮。CFRP的強度為普通鋼材的10倍，密度僅占其20%，具有非常穩定的化學性質，且不會出現疲勞，因此使用CFRP增強鋼框架肋板，通過CFRP理想的抗拉強度與延性對鋼框架肋板結構的變形進行有效控制，從而提高其承載力、抗腐蝕性能。本文通過建立有限元模型分析鋼框架肋板的節點滯回性能，驗證了碳纖維增強復合材料的增強效果。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

選擇Q345鋼材料制作鋼框架肋板試件，鋼梁規格為 ，截面規格為 。使試件頂端承受0.5倍軸壓力，試件頂端與底端均采用固接形式，頂端約束中心線與底端約束中心線之間的距離為1500mm。該試件使用循環加載，加載點到鋼框架翼緣表面的距離為1600mm。利用厚度為6mm的鋼板進行節點域補強，運用載荷及位移分別對試件屈服前和屈服后的加載進行控制［5-6］。碳纖維增強復合材料包含質量輕、疲勞性能以及減震性能好等優勢，因此將其用于增強鋼框架肋板，通過分析節點滯回性能，驗證鋼框架肋板增強效果。根據鋼框架肋板軸線方向，在具有較大應力的翼緣表面粘貼CFRP［7-8］。

1.2 有限元模型建立

1.2.1 設置約束與邊界條件

假設碳纖維增強復合材料的材層之間，以及和鋼框架肋板之間能很好地粘結，可通過Tie約束完成［9］；為達到內層單元變化，外層單元可隨之協調變形的特征，應選擇鋼框架肋板作為主要表面，CFRP內表面作為從屬表面。設定固定鉸接約束于弦桿兩側，使豎向位移加載作用于弦桿自由端，在模擬過程中對弦桿進行限制，另外五個自由度僅形成軸向位移［10-12］，即設置邊界條件的方法。

1.2.2 節點連接

運用剛性形式連接梁柱節點以及焊接形式連接鋼梁與支撐節點。鋼框架肋板的節點連接方式有兩種：一種為A-1型，即通過梁段與梁柱直接連接；另外一種是A-2型，通過加肋板方法對梁柱節點進行增強。

1.2.3 模型建立

為有效分析碳纖維增強復合材料增強鋼框架肋板的節點滯回性能，從幾何非線性角度出發，將Mises屈服原則作為基礎，使用三維實體單元建立有限元模型［13］。

1.3 剛度退化特性

運用割線剛度描述鋼框架肋板的剛度以驗證CFRP增強前后的節點剛度退化狀況。將循環荷載作用于節點時，每次循環均會產生正向與負向的豎直反力，連接兩個力，所得直線的斜率為割線剛度［14-15］，其計算過程用公式（1）描述：

式（1）內，對于第i個位移水平，割線剛度用Kei描述；正向豎直反力用+Pi描述；負向豎直反力用-Pi描述；正向位移用+ui描述；負向位移用-ui描述。

2 結果分析

2.1 循環加載方式下梁段的載荷-轉角滯回曲線

通過ANSYS軟件對循環加載方式下鋼框架肋板的節點滯回性能進行計算，A-1型與A-2型梁段的載荷-轉角滯回曲線用圖1描述。

圖1 A-1型與A-2型梁段的載荷-轉角滯回曲線Fig.1 Load angle hysteretic curves of A-1 and A-2 beam sections

由圖1可得，A-1型與A-2型梁段的載荷-轉角滯回曲線均呈矩形分布，但相對于A-2型，A-1型的滯回曲線稍有捏攏，A-2型則飽滿均勻，變化穩定，不存在捏攏現象；當處于極限狀態時，A-1型梁段的轉角比A-2型梁段的轉角小。由此可知，使用A-2型鋼框架肋板節點連接方式，能使鋼柱對鋼梁的局部變形限制減弱，增大梁段轉動，提高鋼框架肋板延性及耗能效果。

2.2 循環加載方式下的水平力-側移滯回曲線

A-1型與A-2型的水平力-側移滯回曲線以及骨架曲線，用圖2描述。分析圖2可得，A-1型與A-2型的水平力-側移滯回曲線均呈橢圓形分布，且飽滿穩定，不存在捏攏現象；兩者的水平力都隨著側移增加而升高，當側移小于-10mm和大于10mm時，兩者的水平力上升速率緩慢，當側移在-10mm至10mm之間時，兩者的水平力呈快速上升趨勢；A-2型的水平力始終高于A-1型的水平力。對比這些數據可以表明，使用A-2型鋼框架肋板節點連接方式，能獲得更好的鋼框架肋板承載能力。

2.3 CFRP增強鋼框架肋板前后的剛度退化曲線

每個階段的剛度用K表示，初始剛度用k0表示，屈服位移用Δy表示；水平位移用Δ表示。CFRP增強鋼框架肋板前后的剛度退化曲線如圖3所示。由圖3可得，CFRP增強前后的剛度在鋼框架屈服前基本不發生改變，且數值相同；當梁段產生屈服后，CFRP增強前后的剛度均產生退化現象，在循環次數不斷增加的情況下，剛度退化速率逐漸衰弱；CFRP增強后的剛度始終高于CFRP增強前的剛度；相對于CFRP增強前的剛度曲線，增強后的剛度曲線較為平緩。經驗證表明，使用CFRP增強鋼框架肋板可獲得較優異的變形性能及抗側移性能。

圖3 CFRP增強鋼框架肋板前后的剛度退化曲線Fig.3 Stiffness degradation curve of CFRP reinforced steel frame before and after rib plate

2.4 CFRP鋪層方式對鋼框架肋板的節點滯回性能測試

使用CFRP增強鋼框架肋板時，設置4種不同鋪層角度的CFRP鋪層方式，鋪層層數均為2，鋪層長度為3倍的弦桿直徑，鋪層方式有五種，方式0即不使用CFRP，方式1的CFRP方向和軸線夾角為0/0，方式2的CFRP方向和軸線夾角為0/90，方式3的CFRP方向和軸線夾角為90/90，方式4的CFRP方向和軸線夾角為45/135。不同鋪層方式下，鋼框架肋板的節點滯回曲線用圖4描述。

圖4 不同鋪層方式下的鋼框架肋板的節點滯回曲線Fig.4 Hysteretic curves of steel frame rib joints with different ply patterns

分析圖4可得，碳纖維增強復合材料鋪層方式對鋼框架肋板的節點滯回性能影響較大，鋪層方式1與鋪層方式2的滯回環面積較大，鋪層方式4的滯回環面積最小。因此可以說明，使用CFRP增強鋼框架肋板時，選擇鋪層方式1或鋪層方式2能極大地提升鋼框架肋板整體性能，CFRP增強效果最佳。

3 結論

（1）使用A-2型鋼框架肋板節點連接方式，能使鋼柱對鋼梁的局部變形限制減弱，增大梁段轉動，提高鋼框架肋板延性及耗能效果，并且能獲得更好的鋼框架肋板承載能力。

（2）使用CFRP增強鋼框架肋板可獲得較優異的變形性能及抗側移性能。

（3）當CFRP鋪層角度呈0/90度或90/90度時，能極大地提升鋼框架肋板整體性能，CFRP效果最佳。