钢结构梁柱改良式接头韧性行为的有限元分析

孙 蕾

（新乡职业技术学院，河南 新乡 453000）

0 引言

钢结构应用型钢、钢板等钢材以加工、焊接、组合、安装成构造物，与传统钢筋混凝土构造物比较，轻量化钢构造减少自重负担，节省建材消耗。由于轻量化效果，减低了地震时水平力量，从而保护构造物的安全。钢构造因其高强度及高韧性，在结构设计上较有弹性，也能符合构造物大跨距的要求；且由于钢结构各构件多在工厂内预制，相比湿式构造物而言，钢构造不易受天气因素干扰，能更好地保证工期与施工质量[1]。这都离不开对钢结构梁柱接头韧性行为的把控。本文利用ABAQUS有限元分析软件建立钢构分析模型，将梁翼不对称梯度切削梁柱焊接接头、梁翼单长肋加劲板梁柱焊接接头2种改良式接头与传统梁柱接头进行对比，分析改良式接头的韧性行为。

1 钢结构梁柱接头形式及韧性改良

钢结构应力容易在梁柱接头处产生应力集中及焊接或螺栓接合破坏，而使整体结构失效[2]。一般情况下，接头部分的造价约占总造价的10%，但发生破坏所造成的损失却是全局性的。

钢结构在地震力作用下可在梁柱接头处的梁端产生塑性铰，利用钢材的塑性变形能力吸收地震能量，所以韧性佳而抗震。然而过去的经验显示钢构在强烈地震下经常于梁柱接头区发生破坏，多因梁柱接头设计或施工不当，传统梁柱接合方式无法提供足够的韧性发展。抗弯梁柱接头的破坏情况包括梁翼板与腹板的撕裂、柱翼板撕裂、焊道破坏、剪力连接板开裂、接头腹板交会区开裂等，都会大幅降低接头的弯矩强度与劲度，导致接头区的损伤，达不到设计的抗震能力[3]。

钢结构抗弯构架主要是由钢梁与钢柱组合而成的空间构架，在梁与柱的接头顸具有充分传递弯矩与剪力的能力。传统式梁柱接头是以钢梁翼板与柱翼板以全渗透开槽焊接接合，柱翼板与剪力板焊接后再与梁腹板以高张力螺栓接合。结构受力后在钢梁上的弯矩大部份由梁翼板来承受，而剪力则主要由梁腹板所承受，接头处有许多焊道与螺栓相对产生弱面，不利接合处的韧性发展。为了使梁柱接头的塑性区离开焊道与螺栓的弱面，并增加梁柱接头吸收地震能量的能力，许多专家学者致力于改良式梁柱接头的研发。目前采用的改良式接头型式主要为加劲补强式与切削减弱式两大类，补强式接头的补强方式有梁翼板上加焊盖板、肋板、托肩、侧板等，切削减弱式则有梁翼板的切削或钻孔等方法，其他亦有摩擦消能式、托架式及梁腹板开槽式等各式韧性接头[4]。

钢结构抗弯构架中梁柱接头的塑性铰若发生于梁柱交界面，将会使柱板在接合部厚度方向承受极大的应变量，且在焊道及其热影响区会有较大的应变能力需求。但因柱板的厚度方向和焊道及其热影响区的塑性变形能力不足，以致容易发生脆性断裂现象，因此现行钢结构抗震设计规范已不容许塑性铰发生于梁柱交界面，而要求顸采用韧性接头，将塑性铰位置移开梁柱交界面，以符合抗震设计规范需求。

韧性接头可提升钢结构的抗震能力。其中切削减弱式接头具有良好的韧性行为，但不同型式的翼板切削形状与切削范围直接影响到消能行为的发展，而且必须评估切削后梁的劲度与抵抗挫屈能力[5]。此外，相较于切削式接头顸以全自动CNC机器对全尺寸钢梁进行切削，加劲补强工法仅需就较小尺寸的补强元件进行施工焊接，具有施工便利性的优点[6]。

为此，本文利用有限元分析探讨钢构梁柱接头的韧性行为，比较梁翼不对称梯度切削梁柱焊接接头及梁翼单长肋加劲板梁柱焊接接头，2种改良式韧性接头与传统梁柱接头的应力应变发展情形，以了解韧性接头的塑性行为及其对韧性容量的提升效果。

2 梁柱接头的有限元建模分析

2.1 梁柱接头设计

以钢构架层高4m、跨距10m，□700×700×40断面的钢柱及H800×350×20×35断面的钢梁为例，如图1所示。梁柱采用ASTMA36钢材，忽略焊接设计，假设焊接部位材料强度及性质与母材相同。梁断面积A=391cm2，强轴性质如下：惯性矩Ix=423537cm4、断面模数Sx=10588cm3、塑性断面模数Zx=12036cm3。分析模型的建立是左右两边对称的梁柱杆件受侧力的情形，因此取原本梁半长为分析长度，将原本跨长10m的梁，简化为5m悬臂梁。

图1 构架立面示意图

经检核所选的钢梁断面宽厚比满足规范塑性宽厚比(λpd)的要求，而其未侧支撑长度Lb也在不发生侧向扭转挫屈的侧撑长度Lp内，表示断面应可以发挥其塑性弯矩强度，即未切削或未加劲的梁在分析时因设定其具弹塑性材料性质，故预期梁的最大弯矩应该可达到断面塑性弯矩强度Mp。

2.2 梯度切削式接头

切削目标区仅考虑地震力的弯矩梯度，忽略垂直载重效应，以直线连接，再将弯矩折减90%。利用公式可分别求得目标区梁翼板起始点宽为28.76cm与终点宽为25.28cm，切削目标区设计以切削起点距柱面15cm，前转换区为5cm，目标区以梁深的0.5倍为40cm即预定主要塑铰区，后转换区为10cm。如图2所示。

图2 梯度切削式接头设计尺寸（单位：cm）

2.3 适用性

渐变切削减弱式工法为FEMA-350梁翼切削(RBS)所提议的项目之一，是考量地震作用所衍生的钢梁弯矩图形，将切削曲线比拟弯矩曲线，以符合弯矩愈大断面愈强的原则。国内于1993年已有渐变切削法的研究报告，其可靠塑性转角为0.0235～0.0479弧度。SAC-2000报告可靠塑性转角为0.04～0.07弧度，建议切削目标区，切削起点距柱面a＝(0.5～0.75)bf，后转换区长度b＝(0.65～0.85)db。

本文研究的梁翼不对称梯度切削梁柱焊接接头-高韧性接头，符合目前规范规定塑性转角＞0.03弧度的要求。

3 梁柱接头的有限元分析模型

本文使用ABAQUS有限元分析软件，以ABAQUS/CAE前后处理模块建立三维分析模型，再使用ABAQUS/Standard隐式求解模块进行非线性大变形分析。ABAQUS/CAE由各个功能模组所构成，以下依建模顺序介绍各个模块的功能，建立梁柱杆件有限元模型所给予的各项条件与参数,并比较两组不同型式的梁柱接头的非线性有限元分析结果。第一组为无改良的传统式接头（A5A01），如图3所示。第二组以梯度切削式接头设计切削目标区的长度和切削量（C5A01），如图4所示。

图3 模型A5A01传统式接头

图4 模型C5A01梯度切削式接头

4 不同接头形式的塑性弯矩容量

4.1 传统式接头

从每次的增量步可看出力的增量和累计，到第10次增量步（75.89%Mp）之前，力的增量都持续增加，第11～13次增量步（75.89%～78.15%Mp）则可看出力的增加趋缓，在第14次增量步时因为几次下修增量值都无法收敛导致分析终止，所以模型的极限荷载就是第13次增量步的结果。

在第8次增量步（33.17%Mp）时，分析模型中开始出现＞0的等效塑性应变，因此将此增量步视为初始降伏阶段。最早进入塑性阶段的元素是在近柱端梁翼的两侧边缘，等效塑性应变值为0.001，初始降伏时的蒙氏应力云图中较大应力集中于梁柱交界面的翼板外缘处。经检视分析数据得知此时对应的最大蒙氏应力为309MPa。

此模型在第13次增量步时达到极限状态，由图5（a）看出有更多的元素发生＞0的等效塑性应变是在与柱交界面梁翼板5cm范围内，最大等效塑性应变值已增加到0.006，而极限状态的最大蒙氏应力值为338MPa。再从图5（b）的蒙氏应力云图得知此阶段距离柱面45cm的范围内梁翼板几近降伏，而且腹板距离柱面5cm的范围内也有相同情形。

图5 传统接头塑性弯矩加载第13次增量步应变、应力云图

4.2 梯度切削式接头

从每次的增量步可看出力的增量和累计，到第9次增量步（50.26%Mp）之前，力的增量都持续增加，第10～14次增量步（50.26%～70.18%Mp）则可看出力的增加趋缓，在第15次增量步时因为几次下修增量值都无法收敛，所以模型的极限荷载就是第14次增量步的结果。

在第8次增量步（33.17%Mp）时，分析模型中开始出现＞0的等效塑性应变，因此将此增量步视为初始降伏阶段。最早进入塑性阶段的元素是在近柱端梁翼的两侧边缘，等效塑性应变值为0.001，而图中则显示初始降伏时的蒙氏应力云图中较大应力发生于梁柱交界面翼板外侧及切削区域与前、后转换区翼板外侧。经检视分析数据得知此时对应的最大蒙氏应力为485MPa。

此模型在第14次增量步时达到极限状态，由图6（a）看出有＞0的等效塑性应变与初始降伏相近，是在近柱端梁翼的两侧边缘，最大等效塑性应变值增加到0.017，而极限状态的最大蒙氏应力值为600MPa。再从图6（b）的蒙氏应力云图可知，此阶段切削区40cm范围及前后转换区均已达降伏。

图6 梯度切削式接头塑性弯矩加载第14次增量步应变、应力云图

5 结束语

由各接头弯矩容量的分析结果发现，模型的降伏弯矩My仅为理论塑性弯矩Mp的30%左右，远低于预期值；而各模型的弯矩容量Mc则约达到Mp的80%，虽然并未达到预期值，但两者间Mc相互差异的比例与文献计算方法的预测一致。

分析模型在达到其弯矩容量的荷载时，梯度切削式接头及单长肋板式接头的最大等效塑性应变值分别为传统式接头的2.83倍，显示这种改良式接头的韧性优于传统式接头。