蜂窝钢梁柱弱轴向端板连接抗震性能有限元分析

刘易洲LIU Yi-zhou；姬文婷JI Wen-ting；李秋镕LI Qiu-rong

（①盐城市第一中学，盐城 224000；②辽宁省建筑设计研究院有限责任公司，沈阳 110000；③沈阳建筑大学，沈阳 110000）

0 引言

在当下国家大力发展装配式建筑，提倡采用绿色环保建材，钢材产能高的背景下，钢结构发展迅猛，传统钢结构梁柱连接节点会采用大量现场焊接，这导致了焊缝质量受天气、人工的影响较大，难以保证其工作性能的可靠性，本文提出蜂窝钢梁柱弱轴向端板连接为螺栓连接节点可有效解决上述问题，同时能够缩短施工周期，提高建筑结构装配率，采用蜂窝构件可以有效减少结构自重，便于管线穿越，在大跨度结构中已经被证实具有良好的经济效益，使建筑结构更富美感。《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-2015）[1]中给出了梁柱节点弱轴向刚接的构造要求，《端板式半刚性连接钢结构技术规程》（CECS 260:2009）[2]中明确规定了对于实腹钢梁柱节点不建议采用端板连接，这主要是因为“强节点，弱构件”的抗震设计原则，在相关文献中认为端板连接刚度足够大时可视作刚接[3]，合理设计的刚性蜂窝梁柱节点易于在梁端首孔处发生塑性铰破坏[4]，因此当连接端板的刚度足够时，蜂窝梁有可能在梁端首孔处发生塑性铰破坏，本文将研究不同类型端板连接节点的破坏形式及抗震性能，分析所提出蜂窝钢梁柱弱轴向端板连接节点工作性能的可靠性，旨在提出一种适用于实际工程的蜂窝钢梁柱弱轴向端板连接节点构造形式，为相关工程提供参考。

1 有限模型建立

采用有限元软件Abaqus建立如图1所示的蜂窝钢梁柱弱轴向端板连接节点数值模型，模型中H形钢柱截面尺寸为400×300×12×16（mm），蜂窝梁截面尺寸为400×200×8×12（mm），开孔率为60%（开孔高度与梁高比值），首孔开孔中心距柱腹板面400mm，两孔孔中心距为480mm，梁端以位移控制循环加载，柱端施加集中荷载1000kN，来模拟实际工况。螺栓预应力采用软件中提供的螺栓荷载进行施加，摩擦面之间设置“罚”摩擦，摩擦系数取0.35，钢材等级为Q355B，其屈服强度为340MPa，抗拉强度为580MPa。

建立了如图2所示的9种连接类型，其中BASE试件为刚性对比试件，其相关构造要求满足规范《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-2015），WAT1-4系列为单端板连接，WAT1为单端板直接与柱腹板采用10个10.9级M22高强螺栓相连，WAT2设置了端板加劲肋，WAT3设置了横向加劲肋，WAT4同时设置了横向加劲肋与端板加劲肋，WAT5-8为环端板（三块端板）连接，WAT5为闭合环端板（三块端板之间采用焊缝连接）与柱腹板，柱翼缘共采用30个10.9级M22高强螺栓相连，WAT6在WAT5的基础上设置了翼缘补强板，WAT7为开口环端板（三块端板之间保持一定距离）与柱腹板，柱翼缘共采用30个10.9级M22高强螺栓相连，WAT8在WAT7的基础上设置了翼缘补强板，端板厚度均设置为16mm，加劲肋厚度设置为12mm，翼缘补强板厚度设置为12mm，端板、加劲肋与补强板均与对应梁截面假定采用焊接连接。

2 抗震性能分析

2.1 滞回曲线

滞回曲线是反映结构在受往复荷载作用下的耗能能力，往往滞回曲线越饱满表明结构的耗能能力越好。如图3所示，WAT1-4试件的滞回曲线饱满程度大致相当，但承载能力逐渐提高，这表明设置的加劲肋对于节点耗能的影响比较小，但对节点的极限承载能力有一定的帮助，其中横向加劲肋的影响更为明显，整体来看采用单端板连接的试件滞回曲线较BASE试件滞回曲线的饱满度要差，说明WAT1-4试件的滞回性能要明显弱于BASE试件，WAT5-8的滞回曲线饱满程度及极限承载能力大致相当，这表明端板之间开口与闭口连接，设置补强劲板对此类型节点的抗震性能与极限承载能力影响很小，整体来看采用环端板连接的试件滞回曲线较BASE试件滞回曲线的饱满度要好，说明WAT5-8试件的滞回性能要明显强于BASE试件，上述研究表明采用环端板连接的节点耗能能力＞采用刚性连接的节点耗能能力＞单端板连接的节点耗能能力。

2.2 骨架曲线

骨架曲线反映了结构在遭受低周往复荷载作用时变形与荷载的关系，对于结构抗震设计具有重要意义，本文采用的延性系数由荷载峰值点位移壁上屈服点位移得到，延性系数可以反映结构变形的速率，一般来说结构的延性系数大于3被认为是极佳的。试件的骨架曲线与试验结果分别如图4及表1所示，可以看出采用环端板连接的试件WTA5-8的初始刚度与BASE试件一致，但屈服荷载最大提高7.1%，极限承载能力较BASE试件最大可以提高6.5%，延性最大可以提高11.1%，极限荷载作用下梁柱转角最大约为刚接节点的1.58倍，采用开口环端板连接的试件相对闭合环端板连接试件展示了更好的延性，承载能力也更好，采用了单端板连接的节点初始刚度弱于BASE试件，其屈服荷载最小约为0.76倍BASE试件的屈服荷载，极限荷载最小约为0.79倍BASE试件的屈服荷载，可以看出在设置横向加劲肋后，端板加劲肋对极限承载力的提高效果更为明显，大约能提高5.3%，不设置横向加劲肋时只能提高1.8%。

表1 试件试验结果

2.3 破坏形式

破坏形式是反映结构受荷载作用时结构的失效区域及失效模式，对于梁柱节点而言，受地震作用时梁端塑性铰破坏是一种较为理想的破坏形式，满足了“强柱弱梁”，“强节点，弱构件”的抗震设计理念，同时还可以避免应力分布复杂的节点域发生破坏，而蜂窝梁则是通过削弱梁腹板截面来实现塑性铰外移，如图5所示，可以看出单端板连接试件的破坏形式均为柱发生破坏，这是因为端板连接具有良好的转动能力，而柱腹板的抗弯刚度较小（无法抵抗转动变形），这导致柱腹板过早失去承载能力，柱翼缘将承担所有的梁端荷载，使柱翼缘也发生了大变形，横向加劲肋也难以提供足够的刚度，环端板连接试件的破坏形式均是梁端塑性铰破坏，这表明合理设计的环端板连接节点的刚度可以达到BASE试件的刚度，环端板提供了足够的抗弯刚度，这主要取决于环端板的厚度。

2.4 耗能能力与刚度退化

等效粘滞阻尼系数可以直观地反映结构的耗能能力，刚度退化可以反映结构受力过程中结构由弹性阶段转变为塑性阶段的过程，采用Hysteretic Loop Analysis Program（滞回曲线分析软件）计算试件的等效粘滞阻尼系数及割线刚度如图6、图7所示，可以看出采用环端板连接的节点的耗能能力与BASE试件大致相当，其粘滞阻尼系数均能达到0.4，而单端板连接的节点试件其粘滞阻尼系数仅能达到0.25，刚度退化方面可以看出BASE试件与环端板试件的初始刚度及初期刚度退化速率几乎一致，但当梁柱转角达到0.025rad时，BASE试件的刚度退化速率加快，这表明采用环端板连接的试件具有更好的剩余抵抗能力。

3 结论

①蜂窝钢梁柱弱轴向采用环向端板连接的初始转动刚度在合理的设计范围内可以达到与规范构造要求一致节点的初始转动刚度，在本文研究范围内，其极限极限承载能力最大较规范给出的节点可以提高6.5%，延性最大可以提高11.1%。②蜂窝钢梁柱弱轴向采用环向端板连接的破坏形式可以实现柱端塑性铰外移至梁端，在本文研究范围内，极限荷载作用下梁柱转角最大约为刚接节点的1.58倍，且耗能能力更好，刚度退化速率在梁柱转角达到0.025rad时小于刚接节点。③环向端板间的相互作用，在端板厚度一定时对节点的抗震性能影响较小，闭合环端板具有更好的承载能力，开口环端板具有更好的延性，在本文的研究范围内表明，单端板连接不适用于蜂窝梁柱弱轴向连接，即使进行了补强处理。