鋁合金H 型截面梁柱節點的耗能性能分析

朱 熙

（四川水利職業技術學院， 四川 成都 611231）

ABAQUS 有限元軟件可以對構件的各項性能進行模擬，通過數值模擬，可以較好的反映出鋁合金H型截面梁柱節點的耗能性能，有限元軟件模擬，可避免不必要的客觀因素的影響，不僅對資源的需求少，而且分析時間短、消耗的成本低，故可作為分析鋁合金H 型截面梁柱節點的耗能性能的研究方法。

1 構件設計

分析研究H 型截面的鋁合金梁柱節點的耗能性能的需要，本文共設計的4 個H 型截面尺寸大小見表1 所示，所有構件的柱長、梁長均相同；柱截面尺寸保持不變，只改變梁截面的寬度或高度中的一個參數，控制好因變量，便于耗能性能的分析。梁柱節點區域為本次研究的重點區區域，4 個構件的梁柱節點均采用細網格劃分，以保證重點區域的網格高質量分布，從而提高有限元計算的精度，保證數值模擬的準確性。

表1 構件截面尺寸表

所有的有限元模型都盡可能的模擬鋁合金H 型截面梁柱節點的真實情況，軟件中的構件的加載模式、受力情況、約束條件等條件的設置均與構件實際情況一致，通過有限元軟件真實的反映出構件在荷載作用下的節點的耗能性能。本文中，所有構件的計算模型均采用ABAQUS 有限元軟件中的Standard 模塊，該模塊的計算結果與實際結果接近，較精準，可用于鋁合金H 型截面梁柱節點耗能性能的分析。由于本文主要分析H 型截面的鋁合金梁柱節點的耗能性能，所以在梁與柱的連接方式采用的是Tie，即綁定模式，以此代替實際中的焊接模式，這樣不僅簡化了有限元模型的計算量，同時節省了時間，提高了分析效率。為確保重點區域網格劃分，保證節點區域的受力規律和破壞模式與實際相同。有限元的邊界條件的設置嚴格按照實際的邊界約束條件，以確保盡可能的模擬真實情況得到真實的耗能性能[1]。節點的耗能性能有助于分析結構在后期，受到地震作用后的結構的安全性。

2 滯回性能

通過對構件低周往復循環加載，得到滯回曲線，各構件的滯回曲線是反應耗能性能的一個重要指標，從有限元模擬的鋁合金H 型截面梁柱節點模型有限元模擬的滯回曲線中可以看出：各構件的滯回曲線較飽滿，呈現出梭型形狀[2]，說明各構件都具有良好的塑性變形能力，節點的耗能性能較好，從圖中，還可看到曲線的拉、壓半環基本關于坐標軸的原點對稱，說明構件在水平荷載作用下，受拉性能、受壓的性能基本保持平衡，說明鋁合金H 型截面梁柱節點的受力特性較好，在外圍的幾個滯回環，受壓的承載力略低于受拉的承載力，說明在加載后期，梁柱節點發生破壞，構件的承載力下降。

通過提取鋁合金H 型截面梁柱節點構件滯回曲線中每一個滯回環的正向和反向極限承載力，將這些極限承載力整合后可得到試件的骨架曲線，從骨架曲線可以直觀的反映出拉壓是否平衡。通過觀察，可以發現，各試件的骨架曲線相似，起初構件在荷載作用下，保持較好的彈性性能，骨架曲線呈現出上升趨勢，隨著荷載的不斷加大，逐漸達到屈服荷載，之后構件在循環往復作用下，骨架曲線呈現緩慢上升趨勢，直到進入塑性階段后，承載力保持穩定，骨架曲線呈現出平緩趨勢，最后不在上升，極限承載力趨于穩定。

從有限元分析得到的骨架曲線中可以看到，4 個構件的骨架曲線相似，最開始在荷載作用下，構件保持彈性，處于彈性階段；隨著荷載的增大，進入強化階段，最后到達屈服荷載后，構件在反復拉壓下，骨架曲線上升緩慢，一直到塑性階段后，承載力保持穩定，曲線變得平緩。增加梁高后的構件明顯比未增加梁高的構件的承載力更高、拉壓對稱性的性能更好；增加梁寬后的構件的承載力也有較大的提升。

3 承載力

往復作用下，可得到各構件的承載力，通過有限元的后處理數據，可得鋁合金H 型截面梁柱節點的正向和反向承載力。構件一、構件二、構件三、構件四的正向加載承載力分別為11.06 kN、11.98 kN、16.08 kN、22.68 kN；構件一、構件二、構件三、構件四的反向加載承載力分別為-10.96 kN、-12.28 kN、-16.73 kN、-21.75 kN；通過分析鋁合金H 型截面梁柱節點構件的承載能力結果，可得到結論：H 型截面的全焊接梁柱節點的承載力，隨著梁高的不斷增大，構件的極限承載力也隨之增大。

4 耗能性能

為更好地分析節點的耗能性能，本文采用《建筑抗震試驗規程》（JGJ/T 101—2015）[3]推薦的耗能系數：以滯回環的面積和彈性應變能作為評價構件耗能性能的主要參數。通過規范中的耗能系數公式，可以計算出鋁合金H 型截面梁柱節點構件的滯回環面積和彈性應變能，在各滯回環下構件的滯回環面積和彈性應變能以及能量耗能系數如表2、表3。分析表中數據可得到，各構件的有限元計算的能量耗散系數相差不大[4]。這也可以表明，鋁合金H 型截面梁柱節點具有良好的耗能性能，均能滿足鋁合金梁柱節點的設計要求。從經濟方面考慮，H 型截面耗材少，是首選的截面類型。

分析表2 和表3 中數據，可以得出的結論：本文所建立的4 個鋁合金H 型截面梁柱節點的構件模型；通過分析滯回環面積和彈性應變能這兩項參數，可得到結論：各節點的耗能性能較好，能達到規范的設計要求。通過分析表格中耗能系數的數據，得到本次4 個構件的耗能性能較好；故當遇到地震時，鋁合金H 型截面梁柱節點自身可以消耗掉大部分的能量，以保證結構安全，避免重大事故。

表2 各滯回環下構件的滯回環面積和彈性應變能

表3 各滯回環下的耗能系數

5 結論

本文通過有限元軟件，分析了四個工程中常用的鋁合金H 型截面梁柱節點的耗能性能。通過后處理，可以得到有限元的分析結果：鋁合金H 型截面梁柱節點的承載性能較好；滯回曲線較飽滿；骨架曲線拉壓基本保持平衡；耗能性能較好，在遇到地震時，節點可通過消耗能量，減小地震對主體結構造成的破壞力，從而保護結構的安全。