一种装配式钢结构梁贯通式节点数值模拟

宁 广 段海涛 夏 亮 崔 伟

(北京中天元工程设计有限责任公司，北京 100142)

1 概述

无论工业建筑还是民用建筑，无论多层建筑还是高层建筑，国内钢框架结构受传统施工工法影响，通常梁柱节点均采用柱贯通形式，虽然也有梁贯通的节点做法，但相对较少，并且国内针对梁贯通节点的抗震性能研究也不多。国外采用梁贯通节点形式的钢框架多层住宅，在高烈度地震区的应用已有超过50年历史。国外工程师的研究和实践经验表明[1]，梁贯通式节点钢框架具有良好的抗震性能，并且可以更适应工业化要求制定相关标准，进行设计、加工、安装，更有利于国家对于装配式钢结构的推广。

本文以北京市顺义区某三层别墅项目为例，如图1所示，对其采用的装配式钢结构梁贯通、柱端板连接节点进行了数值模拟，从而研究了其抗震性能。

2 有限元模型的建立

2.1 节点构造

装配式钢结构梁贯通式节点主要由贯通梁、柱以及端板组成。贯通梁采用工字型钢，截面尺寸为HN250×125×6×9，梁腹板在与柱翼缘对应位置处设置加劲肋，加劲肋厚度为6 mm。梁上下翼缘按一定的模数开有螺栓孔，这样钢柱可以自由移动，满足建筑方面对空间、立面等要求。另外，在实际工程中梁跨度一般较长，为了模拟梁柱节点的受力状态和变形形态，将梁跨取为4 m。钢柱同为工字型钢，截面尺寸为HN259×107×6×9。构件均在工厂预制，在施工现场使用10.9级M16高强螺栓进行端板连接，节点具体连接构造见图2。

2.2 单元选用和网格划分

采用Abaqus有限元软件建立装配式钢结构梁贯通式节点模型，模型构件均采用实体单元C3D8R。分析过程中，充分考虑了材料非线性、几何非线性和接触非线性。网格密度的大小根据构件尺寸及分析需求进行调整。本文综合考虑分析精度和计算代价，将贯通梁主体的网格大小定为90 mm，柱网格大小为75 mm，梁柱节点核芯区、端板和加劲肋为25 mm。

2.3 材料非线性和几何非线性

模型构件采用Q235钢材，采用Von Mises屈服准则和随动强化准则。材料的弹性部分通过弹性模量和泊松比来定义，弹性模量取E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3。最终得到Q235钢材和高强螺栓应力应变关系如图3，图4所示。在Abaqus中，为考虑几何非线性，需将Step功能模块中的Nlgeom设为On，这样在计算过程中就可以考虑结构大变形的影响。在高强螺栓与端板接触处、端板与贯通梁翼缘接触处通过定义摩擦系数为0.3的切向摩擦接触加上法向硬接触来模拟[2]。

2.4 加载制度和边界条件

参照JGJ/T 101—2015建筑抗震试验规程[3]的相关规定，以框架的层间位移角控制模拟加载，模拟的加载历程为：1/350,1/250,1/200,1/133,1/100,1/67,1/50,1/33和1/25，均为2个循环。为防止梁柱节点发生面外失稳，施加面外约束；柱端施加290 kN的竖向轴力，相当于0.4的轴压比，柱端按铰接处理，梁端施加上下位移模拟加载。

3 有限元结果分析

3.1 应力应变分析

表1和表2分别为梁贯通式节点在主要层间位移角下所受的应力和等效塑性应变。从中可以看出，梁贯通式节点的应力和应变随着加载层间位移角的增加而增加；当层间位移角达到1/250，即抗震规范[4]中规定钢结构弹性位移角限值时，梁贯通式节点各部件均未进入塑性，仍处于弹性状态；当层间位移角达到1/100时，梁贯通式节点各部件均已基本进入塑性状态；在层间位移角为1/25时，梁贯通式节点最大应力为420 MPa，最大等效塑性应变为0.4，已经基本达到Q235钢材的极限强度，视为梁贯通式节点已经破坏；在同级层间位移角下，核芯区梁腹板所受应力和应变最大，加劲板所受应力和应变最小，核芯区梁翼缘、柱端和端板所受应力和应变基本相同；梁贯通式节点主要通过核芯区梁腹板的剪切变形耗能；图5和图6分别为梁贯通式节点在层间位移角为1/50时的应力云图和等效塑性应变图。

表2 梁贯通式节点在主要层间位移角下的等效塑性应变PEEQ

3.2 滞回曲线和骨架曲线

图7和图8分别为整个梁贯通式节点的滞回曲线和骨架曲线。从中可以看出，在开始加载阶段，力与位移呈线弹性关系，滞回环狭长，基本不耗能，正负向加载刚度也比较对称；随着位移的增加，构件开始进入塑性阶段，力与位移不再是线弹性关系，刚度开始下降，滞回环增大，构件开始耗能。滞回环整体呈梭形，说明梁贯通式节点耗能良好，符合刚性节点的特征。从骨架曲线中可以看出，荷载随位移的增加而增加，曲线没有出现下降是因为在钢材材性定义时没有定义下降段。当层间位移角达到1/250，梁贯通式节点仍处于弹性状态，满足规范要求。结合工程实际经验，当层间位移角达到1/25时，结构变形显著增大，P-δ效果影响增大，此时钢柱容易出现平面外失稳，故可以将其视为梁贯通式节点的极限状态。

3.3 耗能能力

节点的耗能能力直接反映了节点的抗震性能，以等效粘滞阻尼系数ξe来表示节点的耗能能力。等效粘滞阻尼系数ξe=E/2π，E为能量耗散系数。能量耗散系数越大，则结构变形时的能耗就越大，就越有利于抗震。能量耗散系数的计算方法见图9及式(1)。

(1)

其中，SABC,SACD为滞回曲线与X轴所围的面积；SΔOBE,SΔODF为三角形OBE和三角形ODF的面积。

取层间位移角为1/25时的荷载位移滞回曲线为研究对象，经过计算，梁贯通式节点的等效粘滞阻尼系数为0.38，抗震性能优于普通梁柱节点。

4 核芯区梁腹板厚度的影响

经过以上分析，梁贯通式节点主要通过核芯区梁腹板的剪切变形进行耗能，有必要对核芯区梁腹板厚度这一影响因素进行进一步的参数化分析。在原模型的基础上分别焊接厚度为4 mm,6 mm和10 mm的钢板，见表3，用于对比研究核芯区梁腹板厚度对梁贯通式节点的承载力、刚度、抗震性能等的影响。

图10为不同焊接钢板厚度下梁贯通式节点的骨架曲线对比。从中可以看出，在处于弹性阶段时，不同焊接钢板厚度下的梁贯通式节点的骨架曲线基本重合，说明焊接钢板对于梁贯通式

节点刚度的提高影响不大；在梁贯通式节点进入塑性阶段后，随着焊接钢板厚度的增加，相同层间位移角下所施加的荷载也明显随之增加，在层间位移角为1/50时，试件GB-3施加的荷载为44.05 kN，是试件BASE承载力的1.55倍，表明焊接钢板有利于提高梁贯通式节点的承载力；试件BASE,GB-1,GB-2的应力应变发展规律基本相同，均通过核芯区梁腹板的剪切变形耗能，而试件GB-3的耗能则主要由核芯区梁腹板转移到核芯区梁翼缘，并且此时核芯区上下钢柱侧向屈曲明显，主要原因是由于焊接钢板过厚，相对增加了梁柱节点核芯区的刚度；从表4可以看出，随着焊接钢板厚度的增加，GB组试件的等效粘滞阻尼系数依次减小，表明焊接钢板厚度增加，并不能提高梁贯通式节点的抗震性能。综上，建议实际工程中可以在梁柱节点核芯区焊接厚度不大于原钢梁腹板厚度的钢板，以提高梁贯通式节点的承载力。

表3 GB组试件尺寸明细表

表4 GB组试件等效粘滞阻尼系数

试件编号BASEGB-1GB-2GB-3等效粘滞阻尼系数0.380.360.320.29

5 结论与建议

1)梁贯通式节点构造简单，施工方便，易于工业化预制，有利于装配式钢结构的推广，特别适宜应用于低多层钢结构住宅。

2)梁贯通式节点在达到抗震规范中规定钢结构弹性位移角限值之前时，各部件均处于弹性状态；梁贯通式节点主要通过核芯区梁腹板的剪切变形耗能，抗震性能优良。

3)建议实际工程中可以在梁柱节点核芯区焊接厚度不大于原钢梁腹板厚度的钢板，以提高梁贯通式节点的承载力。