耗能隅撑钢框架节点性能分析

许峰*，马震，贾岩2，李振兴

(1.沈阳建筑大学土木工程学院， 辽宁沈阳100168；2.沈阳建筑大学建设项目管理公司， 辽宁沈阳100168)

0 引言

为了抵抗地震所产生的水平地震作用，则位于震区烈度的建筑结构必须具有一定的抗侧移刚度、强度以及良好的耗能能力，消耗因地震水平荷载作用下产生的能量。在实际工程中广泛采用的结构体系有纯钢框架结构(MRF)、中心支撑钢框架结构(CBF)、偏心支撑框架结构(EBF)、隅撑支撑钢框架结构(KBF)[1-2]。

纯框架结构(MRF)既能承担竖向荷载，也能承担水平荷载，构造简单、平面布置灵活、刚度均匀以及延性良好。但是纯框架结构抗侧移刚度较低，地震作用下会发生整体结构钢框架的破坏。中心支撑框架(CBF)抗侧移刚度较大，但支撑受压易屈曲，容易导致结构脆性破坏，结构延性不佳[3-4]。偏心支撑框架结构体系(EBF)各层梁柱节点处布置偏心支撑，能够提高钢框架体系的极限承载能力和抗侧移刚度；在发生较大的地震时，体系内的柱和支撑之间的梁上形成耗能梁段，耗能梁段率先发生剪切屈服，避免了支撑的屈曲失稳，从而提高结构体系的延性。但它主要以结构主要构件的剪切破坏为代价，震后修复较为困难，修复费用较高。隅撑支撑结构巧妙地结合了中心支撑的刚度和偏心支撑的延性性能，隅撑支撑钢框架体系在弹性阶段内的刚度和强度同时能够达到结构抗震的要求；同时在地震作用下该体系中隅撑构件率先达到塑性并耗能，发挥其“耗能保险丝”的作用。但框架体系剪切屈服耗能情况依赖于支撑是否屈曲，结构设计中需要保证支撑的稳定性；并且隅撑支撑体系连接梁柱或者隅撑的支撑斜杆均占用了巨大的建筑使用空间，影响了结构空间的灵活性，因此会造成无法满足建筑使用空间要求的情况[5-7]。所以，一种新型的支撑结构应运而生—耗能隅撑钢框架结构，即在隅撑支撑结构的基础上去掉支撑斜杆，梁柱节点域附近设置单独的耗能隅撑来作为主要的抗侧力构件。耗能隅撑是采用低屈服点的软钢作为芯材，外套防屈曲约束装置。同时，耗能隅撑的设置即解决了纯钢框架结构的侧移刚度低的问题，又解决了隅撑支撑框架支撑结构刚度不均匀及空间布置不灵活的问题，即能够提高结构的承载力和抗侧移刚度，又能在设防地震和罕遇地震作用下起到消能的作用，进而达到“刚柔并济”的抗震性能。同时由于耗能隅撑构件较小，方便在受损后进行人为更换，达到了安全、经济、合理的目的[8-10]。

1 耗能隅撑支撑节点有限元分析

1.1 试件尺寸设计

图1 耗能隅撑芯材Fig.1 Energy dissipation brace core material

耗能隅撑芯材结构设计：耗能隅撑采用低屈点的Q235钢材作为芯材，为防止芯材平面外失稳，参考国内外一些屈曲约束支撑设计方法[11]，同时为解决隅撑支撑受压屈曲以及滞回性能差的问题，在耗能隅撑外部设置槽钢约束，槽钢用钢板连接，约束耗能隅撑的受压屈曲，同时为便于同梁柱节点连接及避免应力集中，耗能隅撑两端采用1∶2.5端部放大，耗能隅撑形式方法构造如图1所示。

耗能隅撑节点设计：耗能隅撑节点的梁柱截面尺寸选自沈阳某多层钢框架结构试件，三种形式节点分别为：梁柱刚接节点(YXJD)、梁柱铰接耗能隅撑节点(JJJD)和梁柱刚接耗能隅撑节点(GJJD)。在梁柱刚接节点的基础上增设耗能隅撑，其他增设耗能隅撑节点的耗能隅撑截面形式完全相同，只是梁柱连接方式不同。采用大型有限元分析软件ABAQUS对上述三种节点进行模型建立。

三种节点梁柱部位全部选用型号为Q345B的H型钢，YXJD和GJJD梁翼缘与柱采用焊接连接，梁腹板与柱采用螺栓连接。JJJD梁腹板与柱采用螺栓连接，同时利用螺栓连接耗能隅撑与梁柱，以此实现铰接连接。三种节点的梁、柱H型钢截面尺寸分别为350×175×7×11、300×300×10×15(单位mm)，梁、柱构件长度分别为1 500、2 300(单位mm)，耗能隅撑矩形截面尺寸为80×10(单位mm)，耗能隅撑长750(单位mm)。根据文献对于钢框架节点的抗震要求，同时依据学者对耗能隅撑大量的有限元参数分析得到的相关结论，为使耗能隅撑节点耗能效果最佳，耗能隅撑沿45°布设、耗能隅撑在梁上的偏心距与框架梁长度的比值选取0.30～0.38时，耗能隅撑构件与节点梁截面的刚度比值的范围在0.02～0.06时，耗能隅撑节点具有较高的强度、承载力、刚度以及较好的耗能能力。

不同于普通钢支撑，耗能隅撑节点设计对耗能隅撑芯材与节点梁柱达到屈服的先后顺序有密切关联，对发挥耗能隅撑“双保险”的功能有重大影响。其中耗能隅撑构件刚度对钢框架各部位先后进入屈服起决定性因素，耗能隅撑部位的刚度运算至关重要，需要对耗能隅撑部位的刚度进行“串联”运算(见图2)：耗能隅撑构件刚度+耗能隅撑与梁柱连接处节点板刚度+梁柱节点域处刚度[12]。

将耗能隅撑构件长度L0分为三段，分别为：L1、L2、Le(见图2)，对应的刚度分别为：k1、k2、ke；对其进行刚度串联计算，可以得到：

(1)

L1段同样可以分为L11和L12两段分别计算，其中L11段的刚度为k11，L12段的刚度为k12，见图3。L2段刚度采用同样的划分方式，划分为k21和k22。在实际计算中，可以将节点域部分即L11区域的刚度判定为无限大，即：k11=∞，因此k1=k12，k2=k22于是，式1变为：

(2)

图2 刚度串联示意图
Fig.2 Sketch map of stiffness in series

图3L1段放大示意图
Fig.3 Enlargement of sectionL1

(3)

通过计算得到：耗能隅撑沿梁柱节点45°设，耗能隅撑在梁上的偏心距为0.38，耗能隅撑的刚度与节点梁截面的刚度比值为0.06时耗能效果最佳。依据上文梁柱尺寸及通过刚度计算得到的耗能隅撑尺寸并对其建立有限元模型，梁柱刚结节点及布置耗能隅撑的耗能隅撑节点见图4。

(a) 梁柱刚结节点模型

(b) 耗能隅撑节点模型

1.2 钢材本构模型的选取

在进行ABAQUS有限元模拟过程中，需要对耗能隅撑选用的钢材进行本构选取，定义钢材塑性时，必须选用钢材的真实应力和真实塑性应变[13]。耗能隅撑构件所采用的Q235钢材真实应变ε、应力σ与梁柱采用的Q345钢材名义应变εnom、应力σnom之间可以通过下列公式进行转换：

ε=ln(1+εnom),

(4)

σ=σnom(1+εnom),

(5)

εpl=ε-εel=ε-σ/E,

(6)

式中：εpl为钢材真实塑性应变；

εel为钢材真实弹性应变；

E为弹性模量。

通过上述公式计算给出两种刚才材料力学性能指标，见表1。

表1 钢材力学性能指标Tab.1 Mechanical properties of steel

1.3 相互作用

YXJD与GJJD梁翼缘和梁腹板与柱均采用tie连接，JJJD梁腹板与柱采用tie连接，翼缘不做处理，以此实现梁柱铰接连接；GJJD和JJJD中耗能隅撑与梁柱的连接均采用tie绑定，来使耗能隅撑两端的自由度与梁柱相同。研究重点为耗能隅撑的布置对传统梁柱节点的影响，为方便快速进行有限元分析，在模型相互作用中忽略了构件初始缺陷、焊接缺陷、焊接残余应力和高强螺栓对节点性能的影响。

1.4 边界条件及加载制度

三种节点边界均为柱两端采用铰接固定，在有限元模拟中将节点柱两端约束并保证柱不发生移动只进行与梁加载方向相同方向的转动，以此来模拟实际工况下柱两端的铰接固定。通过耗能隅撑钢框架节点柱截面依据轴压比计算出模型柱端竖向加载的设计值，在初始分析步中将计算竖向荷载加至模型柱上端，并在后续分析步中保持此数值恒定不变。在梁端施加竖向往复荷载，耗能隅撑节点结构模拟加载点位于梁端距柱翼缘1 500 mm处。根据耗能隅撑钢框架节点在低周往复循环荷载下的受力性能，并由于收敛性的影响，单独设置两次分析步进行模拟实际低周往复荷载拟静力试验中钢框架节点试件弹性阶段荷载控制和试件发生屈服之后的位移控制，力加载阶段分3～4次单循环将荷载加至耗能隅撑试件发生屈服，通过检测试件各部位在模拟中的实时应力及荷载位移曲线的明显拐点来综合确定各节点的屈服位移，在试件屈服后采用位移控制，每级位移均循环2次，直至试件破坏(见图5)。

1.5 单元选取及网格划分

模型中各单元选择C3D8R减缩积分单元，由于构件两端存在单元扭曲，而C3D8R对扭曲不敏感[14]。同时为保证各构件有限元模拟更加接近实际地震作用下的受力情况和破坏形态，按35mm为构件各部分划分网格(见图6)，检查网格质量，检查各个模型区域网格的质量、节点和单元信息，均满足要求。

图5 加载制度
Fig.5 Loading system

图6 耗隅撑节点能网格划分
Fig.6 Mesh generation of energy dissipation braced joints

2 有限元模拟结果

通过有限元分析，给出耗能隅撑芯材荷载(F/kN)—位移(U/mm)曲线，从耗能隅撑有限元模拟结果(见图7)可以得出：芯材耗能段首先屈服耗能，耗能效果显著，芯材在外加槽钢的作用下屈强比小于0.8，伸长率大于0.3，芯材性能远远超过《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)的要求，因此采用Q235作为隅撑支撑的芯材，完全能满足规范的要求。

将YXJD与增设耗能隅撑节点有限元结果及滞回曲线进行对比分析，分别得出其耗能隅撑屈服荷载、屈服位移以及梁柱屈服荷载、屈服位移，见表2。

表2 三种节点有限元模拟结果Tab.2 Finite element simulation results of three kinds of joints

(b) 芯材滞回曲线

图7 耗能隅撑有限元模拟结果
Fig.7 Finite element simulation results of energy dissipation brace

三种节点有限元模拟应力云图及荷载(F/kN)—位移(U/mm)曲线如图8～图11所示。

从图8～图11以及表2可以得出，图8(b)为传统的梁柱节点滞回曲线，与YXJD相比，耗能隅撑节点滞回曲线明显更加饱满，这表明当耗能隅撑结构达到屈服位移后节点中的耗能隅撑部分先行屈服，并进行耗能，保护梁柱节点不受破坏，此时梁柱并未屈服，当位移达到梁柱屈服位移后，耗能节点再次屈服；GJJD与JJJD构件当耗能隅撑芯材处于弹性阶段时，荷载—位移曲线呈现线性变化，滞回曲线的形状近似为一条直线，刚度无明显退化，节点整体处于弹性阶段。随着循环荷载的增加，耗能隅撑芯材部位出现屈服，滞回曲线包络的面积逐渐增大，构件刚度出现明显退化，节点进入弹塑性阶段。

(a) YXJD应力云图

(b) YXJD滞回曲线

图8 YXJD有限元模拟结果
Fig.8 YXJD Finite element simulation resulte

(a) JJJD应力云图

(b) JJJD滞回曲线

图9 JJJD有限元模拟结果
Fig.9 JJJD Finite element simulation result

(a) GJJD应力云图

(b) GJJD滞回曲线

图10 GJJD有限元模拟结果
Fig.10 GJJD Finite element simulation results

图11 三种节点滞回曲线对比Fig.11 Comparison of three kinds of node hysteretic curves

3 耗能能力分析

3.1 骨架曲线

将三种钢框架节点在循环荷载作用下的荷载(F/kN)—位移(U/mm)曲线各级循环荷载的第一次的峰值点连接起来得到其骨架曲线[15]。YXJD和增设耗能隅撑结构的GJJD、JJJD骨架曲线如图12所示，可以看出，在梁柱节点处耗能隅撑的增设对节点极限承载力和刚度均有不同程度的增大，其中GJJD提供的刚度和承载力最大，而且比较稳定。JJJD极限承载力比前述节点较差，但同样明显优于YXJD，表明其良好的耗能能力。

3.2 刚度退化曲线

刚度退化是指随着荷载不断反复，位移(U/mm)的不断增大而结构的刚度(K)开始逐渐降低的过程，它反映了结构体系的弹塑性变化过程和结构刚度的退化程度[16]。

通过图13可以看出，GJJD的初始刚度(K0)较其他结构偏小较多，体现出耗能隅撑不同布置方式对结构的抗侧刚度影响较大。各耗能隅撑钢框架在很小位移时就有刚度退化，且退化幅度较大，主要是由于耗能隅撑的屈服位移很小，结构的刚度随着耗能隅撑发生塑性变形而降低。在一定位移的加载范围内，GJJD的刚度大于其他两种模型，刚度退化过程也较为稳定，证明了该耗能隅撑总体布置对结构刚度的提高和稳定贡献较大。通过对比三种节点刚度退化曲线可以看出，增设耗能隅撑构件的GJJD的整体刚度明显大于原型结构，JJJD与YXJD刚度相差不大。

图12 三种节点骨架曲线
Fig.12 Skeleton curves of three kinds of nodes

图13 三种刚度退化曲线
Fig.13 Three types of stiffness degradation curves

3.3 等效粘滞阻尼系数与能力耗散系数

计算三种节点钢框架的的等效粘滞阻尼系数he和能力耗散系数E，运用这两个参数来评估各框架的耗能能力。等效粘滞阻尼系数和能力耗散系数越大，表明结构的耗能能力越优良。取梁柱屈服后4倍屈服位移对应的滞回环计算上述两种系数，见表3。

表3 耗能隅撑节点耗能参数Tab.3 Energy dissipation parameters of energy dissipation braced joints

从表3中的数据可以看出，布设有耗能隅撑构件的钢框架节点的等效粘滞阻尼系数均高于YXJD，表明耗能隅撑的布置位置在一定程度影响了结构的耗能能力，并且模型GJJD具有最优的耗能能力。

根据三种节点的骨架曲线、刚度退化曲线、等效粘滞阻尼系数及能量耗散系数可以看出，GJJD和JJJD的承载能力和刚度均大于YXJD，两种好拿给你隅撑节点具有更好的抗震性能，耗能隅撑的布设能够有效的提高传统节点的极限承载力和改善其耗能能力，在地震作用下更加能够发挥作用，在抗震设计中具有良好的应用前景。

4 结论

① 进行耗能隅撑节点设计时：耗能隅撑沿梁柱节点45°布设，耗能隅撑在梁上的偏心距为0.38，耗能隅撑的刚度与梁截面的刚度比值为0.06。

② 采用布设耗能隅撑的钢结构节点，在小震作用下，耗能隅撑的布置在满足钢结构抗侧移要求的前提下能有效提高节钢框架的抗侧刚度；在大震作用下，耗能隅撑芯材先于梁柱屈服，通过其塑性变形消耗地震产生的能量，解决了传统设计节点利用框架梁塑性变形消耗地震产生能量的缺点。

③ 耗能隅撑刚接节点和耗能隅撑铰接节点的承载能力、刚度、抗震性能均优于普通梁柱刚接节点，其中，梁柱刚接耗能隅撑节点具有“双保险”的性能。梁柱铰接耗能隅撑节点连接方法优于传统梁柱刚接节点，符合装配式的安装要求，可替代传统的连接方法。

④ 耗能隅撑构件的增设能改善钢框架结构的受力性能和耗能能力，明确受力方式。其布设方便，不影响建筑空间和震后易于更换修复是其更大的优势所在。