鋼結構平面偏心框架力學性能分析

趙 丹，許育文

（1.杭蕭鋼構有限公司海南分公司，海南 儋州 578101；2.東華理工大學土木與建筑工程學院，江西 南昌 330013）

地震作為一種突發性的自然災害，嚴重影響著工程結構的安全性。因此，隔震減震成為了工程中的重要研究方向。鋼結構建筑是當今應用廣泛的結構建筑，其中梁柱節點是鋼結構建筑體系中重要的結構構件之一。為此，提高鋼結構建筑的抗震性能是結構研究的重要課題。在傳統的節點設計中，大多采用純焊接為代表的剛性節點。在1994年美國Northridge地震和1995年日本Kobe地震中，傳統鋼結構建筑的梁柱連接節點發生了脆性破壞，結果表明其并沒有發揮通過構件塑性變形來吸收地震能量的作用。焊接形式的不同不僅會影響焊接的質量，還會影響制作成本和結構性能。此后，對鋼結構梁柱連接節點的研究廣泛展開。

為了使梁板柱便于安裝，有些建筑結構中會使梁向外平移，從而導致框架中梁柱軸線不重合，即形成偏心節點，此類現象在實際工程中廣泛存在。呂鋒等為研究梁偏心對方鋼管混凝土柱-鋼梁連接的內隔板式節點的抗震性能的影響，用ANSYS建立該節點的非線性有限元分析模型，通過梁相對于柱的不同位置在反復荷載作用下所得的滯回曲線進行對比，得出梁偏心對該節點影響的大小。施正捷等為了對提出的梁柱偏心節點的受力特征進行分析，通過有限元數值模擬的方式，對偏心模型進行受力分析。表明偏心節點核心區存在明顯的三維扭轉效應，以及梁柱截面的畸變翹曲效應。但是目前對于H型鋼梁-H型鋼柱偏心節點的研究較少。

針對以上研究現狀，文章將以多層多跨偏心平面鋼框架為研究對象，對框架偏心節點進行水平荷載作用下的力學性能研究。通過數值有限元模擬對模型進行單向加載，分析其力學性能。

1 有限元結構設計和模型概要

1.1 結構設計

為模擬分析梁柱偏心節點在整體鋼框架的結構響應，故不考慮結構本身的建筑適用功能屬性。如圖1所示，選擇以3層3跨鋼框架結構為研究對象，其中梁長為6 000 mm，柱高為4 000 mm，梁構件截面為H-350×200×20×22 mm，柱構件截面為H-350×300×24×28 mm。框架體系中梁柱節點為焊接，梁向外平移，使梁柱軸線不重合，形成偏心節點。

1.2 有限元模型框架

3層3跨鋼結構偏心平面框架結構有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型圖

梁柱構件采用彈塑性8節點實體單元Soild185，網格劃分方式采用映射劃分，對于梁柱節點域區域進行較細的劃分，對于其他區域進行較粗的劃分，單元尺寸控制為100 mm。梁柱采用Q235B材料，材料的彈性模量為205 000 MPa，泊松比為0.3，屈服強度為235 MPa，極限強度為306 MPa，泊松比為0.3。有限元模型中，材料模型選用服從Voin-Mise屈服準則的雙線性等向強化模型（BISO），考慮材料非線性和幾何非線性。

在有限元模型中，柱腳采用固接連接，約束柱腳截面節點的所有自由度。在梁柱的接觸設置中，將梁柱接觸設置為綁定接觸，等同于焊接。

2 有限元分析

在有限元數值分析中，采用單調加載方式對多層多跨平面鋼框架進行加載。根據相關建筑設計規范，以1∶1.45∶2.39的比例對框架中的第一層、第二層和第三層施加的水平荷載。對多層多跨框架施加水平荷載進行抗震性能分析。分析內容如下：

2.1 層間剪力和層間變形角的關系分析

通過有限元分析可得到多層多跨平面鋼架的水平荷載與層間變形角關系分析。各層在外荷載作用下都從彈性階段進入了塑性階段。將切線剛度達到初始剛度的1/3處的荷載值定義為其屈服點。其具體結果如表1所示。從表中可以得知，1層的初始剛度以及屈服荷載最大。其中1層的初始剛度為3層初始剛度的2.05倍，1層屈服荷載為3層屈服荷載的2.09倍。3層的初始剛度以及屈服荷載最小，2層的初始剛度以及屈服荷載居中。且由表1可以發現，各層的屈服層間變形角差異不大。

表1 多層框架結構推覆分析結果

2.2 應力響應分析

由表1可知，1層層間變形角為0.0081rad時，偏心框架模型進入屈服階段。為對比偏心節點主體結構應力響應以及其破壞路徑，將1層層間變形角為0.0081rad時偏心框架的應力云圖進行進一步的分析。其應力云圖如圖2所示，偏心框架的最大應力出現在1層的中間跨紅圈位置，即梁柱的節點域區域，其他位置的應力響應相對不明顯。且2層梁柱節點域區域的應力響應也較為明顯。

圖2 多層多跨框架應力云圖

通過分析多層框架的應力云圖，發現偏心節點對主體抗震性能有較大的影響。通過對后續模擬過程中整體結構應力響應進行分析，隨著變形的增大，框架的塑性破壞路徑終始于1層跨中梁柱節點域區域。

3 結論

偏心節點在建筑結構應用較多，對此應對其進行受力性能研究。以3層3跨偏心平面鋼框架為研究對象，通過有限元數值分析對其在單調荷載作用的力學性能以及力學響應進行分析，主要結論如下：

（1）對比各層初始剛度、屈服層間變形角和屈服荷載可知，1層初始剛度及屈服荷載最大，屈服層間變形角相差不大。

（2）偏心框架的應力響應始終集中于梁柱節點域，且偏心對框架結構應力響應影響較大。