自复位钢框架结构中楼板刚度的影响研究

白润山 刘 宏 卜娜蕊 赵思思

(1.河北建筑工程学院,河北 张家口 075000;2.河北省张家口市宣化区交通运输局,河北 张家口 075100)

自复位钢框架结构中楼板刚度的影响研究

白润山1刘 宏1卜娜蕊1赵思思2

(1.河北建筑工程学院,河北 张家口 075000;2.河北省张家口市宣化区交通运输局,河北 张家口 075100)

通过ANSYS有限元分析软件针对自复位钢框架结构有无楼板的受力性能进行分析研究，经过分析，在单向集中荷载或对称反向集中荷载下的作用下，楼板对自复位梁柱节点约束性能良好，提高了整体结构的抗震性能，很大程度上减小了框架的扩展性.

预应力;自复位;半刚性

0 引 言

1994年美国北岭地震和1995年日本阪神地震给传统的钢结构设计带来了承重的一击，震后造成了钢结构节点的脆性破坏，虽然节点能够修复再用，但经过改造后的节点如果再次遭遇大地震，主体结构仍会产生残余变形，这就意味着P-Δ效应加剧，削弱了结构的整体抗震性能，导致结构局部屈曲甚至倒塌，造成震后修复的极大浪费.为了增强结构的抗震性能，减少震后修复费用，美国和日本的专家学者致力于研究一种能产生塑性变形、消能减震，较小的节点残余变形，甚至能恢复原来状态的抗震结构，之后参考了混凝土中预应力的作用，发明了一种新型的能在震后恢复原来状态的钢结构—自复位钢结构.这种结构主要由三部分组成：摇摆连接件、复位元件及耗能装置.2000年，Ricles和Garlock[1]将预应力与半刚性节点相结合，提出了PT(Post-Tensioned connection)节点，并对其进行了定义，且Garlock于2007年给出了针对此类节点的具体设计步骤和流程图.之后，在此基础上，自复位节点有了进一步的发展.Constantin Christpoulos等人[2]将PT节点中的耗能角钢用耗能钢条替换，定义新型自复位节点—PTED节点，并利用DRAIN-2DX软件对比分析了带有PTED节点和传统焊接节点框架的受力性能，对比结果表明PTED节点延性很大，造价与传统钢框架相当，修理费用低，适于应用.之后，人们各种耗能构件的PTED节点，如梁顶底翼缘设置螺栓固定的摩擦钢板耗能、采用摩擦阻尼器耗能等.潘振华等对阻尼器耗能进行ABAQUS参数分析，证实了这种节点具有良好的复位、耗能能力.2013年，考虑到框架扩展现象的影响，Darling将梁柱分开，增加梁的绕动空隙，地震中使柱距保持不变.目前，学者们已在自复位结构节点做了较为深入的研究，但对于楼板对节点乃至整个结构的影响研究分析的还太少，而本文主要是在前人研究的基础上，研究楼板对自复位梁柱节点的性能的影响.

1 有限元分析

为了便于分析和计算，ANSYS为我们提供了190多种结构单元类型[3]，本文根据实际情况，用10节点SOLID92单元模拟梁柱、角钢、加劲肋以及螺栓头、栓体和螺帽，SOLID45单元模拟楼板，LINK10单元模拟钢绞线.接触单元选用CONTA173和TARGE170来模拟，预应力单元选用预应力单元PRETS179.本文中几何尺寸模型及荷载参数采用单层单跨的钢框架进行设计，梁、柱、楼板分别采用焊接H形钢Q345，主梁尺寸H×B×T1×T2=400×300×10×15(mm)，钢柱尺寸H×B×T1×T2=400×400×14×21(mm).本文涉及两种材料，一类是梁柱板件、角钢、钢绞线；另一类是螺栓、螺母，其中梁柱、加劲肋、角钢，钢绞线的E=2.06×1011N/mm2，μ=0.3，fy=3.45×108N/m2，ρ=7890 Kg/m3，螺栓E=2.1×1011N/mm2，μ=0.3，fy=6.4×108N/m2，ρ=7890 Kg/m3，梁柱板件、角钢、钢绞线材料采用多线性随动强化模型，螺栓、螺母材料采用双线性随动强化模型.材料的屈服强度遵守Von-Mises屈服准则，强化阶段采用随动强化准则.

本文中的框架节点是从整体结构中截取出来，采用足尺模型分析计算，宽厚比与高厚比均符合现行相关规范的要求，建模过程中主要分析了板的厚度不同和初始预应力不同的情况下，梁中性轴的变化、梁内弯曲正应力分布情况，节点弯矩M与变形转角γ的关系.ANSYS软件分析时，对模型进行了适当的简化，如对焊接引起的变形和应力集中不加考虑，将栓头、柱帽简化为圆柱体，忽略螺栓头和螺帽与梁和柱翼缘的接触问题等[4,5].

本文采用周期荷载加载方式，进行拟静力分析，采用通过位移控制荷载的加载方式，为了保证结果的准确性，经过实际计算，从7.8 mm的位移量加载，并以每级位移增量7.5 mm循环递增至90 mm左右，即2%最大塑性层间移角时停止加载.

利用有限元进行求解时，考虑到二阶效应，所以需要采用大变形非线性求解,在软件中通过NLGEOM,ON来激活大应变效应，分析结构受力，最终得到刚度退化曲线和弯矩—转角曲线，分别如图1、图2所示.

图1 梁柱节点刚度退化曲线 图2 梁柱节点M-θr曲线

根据现有研究成果，主梁进入塑性的程度不同，板的有效宽度不同，两者之间是一个递增的关系，一般，我们认为，在节点完全进入塑性，楼板的有效宽度为柱翼缘的2倍，本文中主要是考虑楼板厚度等的影响，所以按最符合实际的情况进行考虑，楼板的有效宽度均取柱翼缘宽度的2倍.图3、图4、图5分别是在楼板有效宽度为2倍柱翼缘宽度时，不同板厚下节点转角-弯矩图，由图中弯矩的变化情况，可以看出，相同转角下，楼板的厚度越大，节点弯矩越大，两者成线性增长关系，之后随着梁柱节点的持续受力，转角虽然增加，但弯矩趋于平稳，对比分析楼板有无，可以看出相同转角下，无楼板节点所受弯矩较大，以上分析说明，在整个结构受力过程中，节点虽然承受了大部分的力的作用，是我们进行结构计算时考虑的主要方面，但分析结果表明，楼板亦对节点具有相当的约束作用，不能忽视其对节点扩展性能的影响.

图3 试件板厚100 mm楼板对节点性能的影响 图4 试件板厚130 mm楼板对节点性能的影响

除了分析了楼板对整个节点受力性能的影响，本文还分析了在相同板厚和楼板有效作用宽度下，预紧力大小对自复位钢框架整体性能和承载力的影响，主要是通过在ANSYS12.0中改变初始预应力的大小，从而进行进一步的分析和计算.图6、图7、图8分别是在板厚100 mm，楼板有效宽度为柱翼缘2倍，初始预应力分别为100 KN、120 KN、130 KN下分析得出的节点滞回曲线图形，由这三个图可以看出，首先，节点的滞回曲线满足自复位节点的标准滞回曲线模型，图形呈中心对称，自复位能力良好；其次，对比分析结果，当初始预拉力很小时，角钢在很小的位移下就会出现塑性变形；随着初始预拉力的增加，结构的刚度和承载能力逐渐增强；在循环荷载作用下，当位移荷载回复至零时，初始预拉力较小结构的恢复能力相对较弱，不利于自复位作用.

图5 无楼板节点性能 图6 钢绞线初始预应力100 KN

图7 钢绞线初始预应力120 KN 图8 钢绞线初始预应力130 KN

2 结 论

有限元分析结果表明，楼板的存在确实导致了框架受力性能的不同，且随着楼板厚度的增加，在相同转角下，节点弯矩增加，框架扩展增强.此外，在自复位结构中，初始预拉力的大小，对结构的刚度和承载能力有很明显的影响，由以上结果得知，在钢框架结构的设计中应对现浇楼板予以合理的考虑，并结合实际工程施加适当的预应力，耗能能力和自复位性能得到充分发挥.

[1]RICLES J,SAUSE R,GARLOCK M,et al.Experimental studies on post-tensioned seismic resistant connections for steel frames [M].Proc,STESSA 2000 Conference.2000:231～238

[2]CHRISTOPOULOS C,FILIATRAULT A,UANG C-M,et al.Post-tensioned energy dissipating connections for moment-resisting steel frames[J].Journal of StructuralEngineering,2002,128(9)：1111～1120

[3]尚晓江，邱峰，赵海峰，李文颖.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京：中国水利水电出版社，2006

[4]刘浩,等.ANSYS 15.0有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2014

[5]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007

Research on the Influence of Floor Stiffness in Self-centering Steel-frame Structure

BAIRun-shan1,LIUHong1,BUNa-rui1,ZHAOSi-si2

(1.Hebei University of Architecture,Zhangjiakou,Hebei Province 075000;2.Xuanhua Transportation Bureau,Xuanhua District,Zhangjiakou City,Hebei Province 075100)

The stress performance of steel-frame structure with and without floor is analyzed by ANSYS finite element analyzing software. Under the action of the one-way concentrated load or symmetry-reverse concentrated load,the constraint performance of floor on the self-centering beam-column joints is good,which can improve the seismic performance of whole structure,largely reducing the framework of extensibility.

prestress;self-centering;semi-rigid

2016-12-15

白润山(1965-)，男，教授，主要从事钢结构、组合结构与混合结构，新型结构体系及材料，装配式建筑结构等研究.

刘宏(1990-)，女，在读硕士研究生.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.02.007

TU 3

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