钢框架端板-铸钢件混合连接性能分析

相仁凤，刘 猛，王 伟



钢框架端板-铸钢件混合连接性能分析

相仁凤1,2，刘 猛2，王 伟3

（1.烟台南山学院，山东龙口 265713；2.辽宁工业大学土木建筑工程学院，辽宁锦州 121001；3.烟台建设集团，山东烟台 264000）

钢框架中以铸钢件代替角钢，将端板、铸钢件通过高强螺栓和焊接技术与梁柱相连，形成了端板-铸钢件混合连接。通过对3组试件的模拟分析，研究了端板连接、铸钢件连接以及端板-铸钢件混合连接中节点的滞回性能、延性和耗能能力。结果表明，在低周反复荷载作用下，单独采用端板或铸钢件连接时都表现出来良好的耗能能力，但端板连接中靠近梁柱连接的梁端部破坏严重；铸钢件连接中柱的屈曲严重。端板-铸钢件混合连接有效改善了连接性能。

混合连接；低周反复荷载；耗能能力；屈曲

钢框架梁柱连接是整个结构的关键，1994年美国Northridge地震造成了大量节点的脆性破坏[1]，节点的破坏将会导致整个结构的倒塌，这对建筑物来说是最大的挑战。美国、日本等科研人员成立了专门研究机构，研究节点受力性能、破坏机理以及加固方法，以保证节点的强度、刚度和稳定性。目前国内外学者对端板连接的研究已取得一定成果，用铸钢件代替角钢，是近几年研究较多的一种连接方式。端板连接是一种延性和承载力都很好的连接，端板厚度是影响结构强度和耗能能力的主要因素；铸钢件本身的耗能特性非常显著，但仅采用铸钢件连接容易造成柱的屈曲严重。为更好地了解端板-铸钢件混合连接的性能，本文设计了3组试件，研究其在循环荷载作用下的受力性能和破坏特点。在保证耗能基本不变的情况下，节点的变形能力增强了，而且保证了柱有足够的强度，满足“强柱弱梁”、“强节点弱构件”[2]的设计准则。

1 有限元分析

根据试件的实际尺寸和约束条件，采用ABAQUS软件建立非线性有限元模型，设计了3个试件，即单独采用端板连接(BW1)，单独采用铸钢件连接(BW2)，端板-铸钢件混合连接(BW3)，所有构件均采用六面体实体SOLID模拟。

1.1 试件设计

为确保截面尺寸有效合理，设计中采用了工程实际中常用的梁柱尺寸，即柱截面采用H300×400×10×16，梁截面采用H200×300×8×12，端板采用300×600×18，铸钢件采用水平肢×竖肢×肋板：6×18×8。

图1 材料的本构模型

1.2 材料的本构模型

计算时材料均采用钢结构，钢材的本构关系如图1所示，钢的本构关系采用三折线形式，梁、柱、端板均采用Q345钢，泊松比取0.3，弹性模量取2.1×106。

1.3 网格划分

为了更加准确地模拟梁柱连接时节点的受力，对单元采用对称性划分技术，对于靠近节点附近的端板、铸钢件采用较密的划分单元，单元的边长比例控制在1∶4以内，图2为单元划分情况。

图2 有限元网格划分

1.4 边界条件和加载方案

本文属于探索性模拟，对试件的梁端采用位移-时间变幅加载制度[3]，加载曲线如图3所示。有限元模拟中，为更好地研究低周循环荷载作用下梁柱连接的抗震性能，对柱顶和梁端施加铰接约束（U1=U2=0，UR1=UR2=0），为保证整个结构的稳定性和刚度，对柱底施加刚接约束（U1=U2=U3=0，UR1=UR2=UR3=0），如图4所示。

图3 位移-时间加载曲线

图4 边界条件模型

2 模拟结果及分析

2.1 低周反复荷载作用下试件的荷载-变形分析

单独采用端板连接的试件荷载-变形曲线如图5(a)所示，单独采用铸钢件的试件荷载-变形曲线如图5(b)所示，端板-铸钢件混合连接试件的荷载-变形曲线如图5(c)所示。从3个试件的荷载-变形曲线可以看出：

(a)

(b)

(c)

(1)梁在开始阶段荷载-变形是线性变化的，随着荷载不断加大，当荷载向下作用时，BW1的变形比其他2个试件要大，荷载为350 kN时，试件BW1达到极限拉应变，试件BW2变形基本还处于弹性状态，试件BW3的变形比试件BW2还要小一些。

(2)试件BW2和试件BW3在荷载作用下曲线变化较BW1缓和，因为端板本身就是一种延性较好的连接。

2.2 低周反复荷载作用下试件的滞回曲线分析

滞回曲线是指在力的循环反复荷载作用下，结构的荷载变形曲线。它反映了结构在受力过程中的变形、刚度退化以及耗能能力。滞回曲线饱满则说明结构的耗能能力[4]强，反之亦差。通过对3个试件的有限元模拟得出其滞回曲线如图6所示，其中图(a)、(b)、(c)分别是端板、铸钢件和端板-铸钢件混合连接的滞回曲线，可以看出：

(1)试件加载前期，滞回曲线以很高的初始刚度呈线性变化，随着加载进一步扩大，刚度有所减小，但幅度不大，初始循环时卸载刚度与初始刚度基本一致。

(2)从图6可以看出，单独的铸钢件连接比端板连接滞回曲线要饱满，且端板-铸钢件混合连接明显看出节点的抗震性能比其他2种连接方式要好。

(a)

(b)

(c)

(3)铸钢件连接节点在低周反复荷载作用下的滞回曲线比较饱满，滞回环的面积较大，证明铸钢件连接具有很好的延性。端板-铸钢件连接与单独采用铸钢件连接的滞回曲线类似，但前者相对饱满一些，抗震性能更好一点。

2.3 低周反复荷载作用下试件的骨架曲线分析

骨架曲线是指将滞回曲线中各个循环滞回环的峰值点进行相连得到的包络线。它反映了结构的初始刚度和强度，本文根据滞回曲线得到的试件骨架曲线如图7所示，可以得出：

(1)在达到屈服极限点之前，试件的骨架曲线是条直线，呈线性变化，随着荷载的增加，试件的变化呈非线性。

(2)BW2和BW3的骨架曲线优于BW1，在荷载作用下，BW2的极限承载力比BW1要好，BW3的极限承载力明显比BW1和BW2要好。

(a)

(b)

(c)

3 结论

通过对3种不同连接方式梁柱连接节点的循环加载，总结有限元模拟结果可以得到以下结论。

(1)3个试件中得到的滞回曲线呈S型，都表现出良好的耗能能力，其中铸钢件的耗能能力更好一些，端板-铸钢件混合连接的极限承载力明显优于另外2种连接方式，更好地加固了节点，端板连接中变形曲线陡峭，变化幅度大，可能是因为端板厚度所致。端板厚度和铸钢件竖肢、肋板尺寸是影响连接性能的关键因素，为更好地提高连接节点的延性和耗能能力，应合理设计构件尺寸。

(2)节点的延性性能良好，各节点的延性系数均大于3。

[1] 周炳章. 日本阪神地震的震害及教训[J]. 工程抗震, 1996(1): 39-42.

[2] 丰定国, 王社良. 抗震结构设计[M]. 武汉：武汉工业大学出版社, 2001.

[3] JGJ 101—96. 建筑抗震试验方法规程[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1997.

[4] 申成军, 陈元明, 高福聚. 钢框架梁柱T型钢连接滞回性能分析[J]. 工业建筑, 2007(S1): 1257-1262.

责任编校：孙 林

Performance Analysis of Steel Frame End Plate-Steel Castings Mixed Connection

XIANG Ren-feng1,2, LIU Meng2,WANG Wei3

（1.Yantai Nanshan University, Longkou 265713, China; 2. School ofCivil and Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China; 3.Yantai Construction Group,Yantai,Shandong 264000, China）

Steel castings are used to replace angle iron in steel frame, through high-strength bolts and welding technology, the beams and the end plate are connected to form end plates - steel castings mixed connection. Through simulation analysis of the three groups of specimens, the Hysteretic behavior, the ductility and energy dissipation capacity of the end-plate connections, steel castings connections and end plate -steel castings mixed connections are analyzed. The results show that under low cycle repetitive loading, when end plate or cast steel is used alone to connect, good energy dissipation capacity has been demonstrated, but in the end plate connection, the tie-beam is seriously damaged near the beam-column connections; in the cast steel connection, the column is buckled seriously. End plates-steel castings mixed connections effectively improve the connection performance.

mixed connection; low cycle repetitive loading; energy dissipation capacity; buckling

10.15916/j.issn1674-3261.2017.03.012

TU391

A

1674-3261(2017)03-0183-04

2015-11-08

相仁凤(1986-)，女，山东临沂人，硕士，助教。