盖板加强节点钢框架结构层间屈服位移角的研究.docx

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1、盖板加强节点钢框架结构层间屈服位移角的研究*摘要：结构的层间屈服位移角是量化结构位移延性系数的重要参数，也是结构抗震性能评估的重要指标之一。为研究不同设计参数对盖板加强节点钢框架结构的层间屈服位移角的影响，采用有限元软件ABAQUS建立了4个系列共计12个足尺钢框架子结构有限元模型，并进行了滞回性能分析，基于FEMA273建议的方法确定了钢框架子结构的层间屈服位移角。研究结果表明：结构层高对盖板加强节点钢框架层间屈服位移角影响较小，而结构跨数、跨度、钢梁截面对盖板加强节点钢框架的层间屈服位移角影响较大。关键词：钢框架；盖板加强节点；显著屈服；层间位移角；有限元分析。引言盖板加强节点是基于塑性被

2、外移机制的一种新型延性节点，其工作原理是通过对梁柱连接部位钢梁的上下翼缘分别焊接一块盖板，用于增加梁柱连接的抗弯能力，使梁柱焊缝及焊缝区的应力小于非焊区，迫使塑性较在远离连接区域的钢梁中形成。目前，国内外学者对盖板加强节点的研究主要集中在考虑盖板形式、盖板几何尺寸、连接细部构造等对钢框架节点性能的影响上1-4o结构显著屈服的层间位移角是确定结构位移延性的重要参数，其确定的是否合理直接影响对结构抗震性能评估的精确程度。此外，在基于能量的抗震设计理论中，需采用结构层间位移延性系数计算结构楼层的滞回耗能，因此，结构位移延性系数的合理确定至关重要。本文采用ABAQUS有限元软件对12个足尺盖板加强节点

3、的钢框架子结构进行了分析，并基于FEMA273规范1建议的方法确定了算例子结构显著屈服时的层间位移角，重点考察了跨度、层高、跨数、层数、钢梁截面等设计参数对盖板加强节点钢框架显著屈服的层间位移角的影响。1层间显著屈服位移角的确定方法FEMA273规范1建议确定结构或构件显著屈服点的做法如下(图1)：从荷载一位移骨架曲线的峰点引第1条水平线与纵轴交于Pmax；做第2条水平线，其数值Py=O.85Pmax;以纵轴数值为0.6Py引第3条水平线与曲线相交于A点；延长OA与第2条水平线相交于B点，由B点做垂线，交水平轴于。y。则Oy即为所求的显著屈服层间位移角。图1FEMA273建议的显著屈服层间位移

4、角的确定方法2有限元模型2.1BASE试件按现行GB50011-2010建筑抗震设计规范设计了1栋6层3跨的钢框架结构。抗震设防烈度为8度(0.2g),II类场地，地震分组为第1组。层高为3.3m,跨度为6mo本文选取第4层区域即第4层并上、下各带半层、半跨的子结构作为研究对象（BASE试件），见图2。BASE试件的钢柱截面为H40040015X24,钢梁截面为H4002001316,梁柱连接节点的加强盖板宽分别为100,16Onmb长为280mm的楔形盖板。所有钢材选用Q235B。/Z/z/z6(XM)6(XX)6OOo图2盖板加强节点钢框架子结构采用通用有限元程序ABAQUS对盖板加强节点

5、钢框架子结构进行分析。BASE试件的钢柱、钢梁、加劲肋及盖板均采用C3D8R三维实体单元模拟。通过在模型中可能产生塑性钱的区域采用单元细化的方式提高数值模拟精度。图3、图4分别给出了盖板加强节点钢框架子结构及节点的有限元模型。图3BASE试件的有限元模型图4盖板加强节点的有限元模型2. 2材料模型本文的钢材选用带强化的双线性模型，并采用VOnMiSeS随动强化模型考虑循环加载下钢材的包辛格效应。有限元模型中钢材的屈服强度取。y=235MPa,极限强度。u=375MPa,弹性模量E=2.06X105MPa,切线模量Et=O.02E,泊松比V取0.3。计算过程中考虑结构的几何非线性。3. 3加载制

6、度首先，在钢柱顶部施加轴压比为03的竖向轴力；然后，全程采用位移加载，每级荷载循环3圈。加载制度见图5。图5加载历史示意3计算结果与分析3.1 滞回曲线图6给出了BASE试件在循环荷载作用下有限元模拟的滞回曲线。图6BASE试件的滞回曲线由图6可知：BASE试件滞回曲线饱满，在整个加载过程中经历了弹性、弹塑性、破坏3个阶段。此外，峰点过后，随着加载的继续，BASE试件的水平承载力逐渐下降，其主要原因是钢梁端部翼缘及腹板屈曲并形成明显的塑性较，以及在钢柱顶部施加了竖向轴力引起的二阶效应所致。3.2 骨架曲线图7给出了BASE试件在循环荷载作用下有限元模拟的骨架曲线。由图7可知：试件在正、负两个方

7、向的骨架基本对称，这说明有限元模拟获得两个方向的结构损伤基本一致。BASE试件的骨架曲线由弹性过渡到弹塑性的显著拐点所对应的层间位移角约为0.0085rado创rad图7BASE试件的骨架曲线4参数有限元分析以BASE试件为基础，共设计了4组12个试件。表1给出了各组试件的基本参数，其中SP系列以钢框架子结构的跨度为变化参数，其他参数不变；ST系列主要反映层高的变化；NS系列以跨数为变化参数；BS系列以梁截面为变化参数，其他参数不变。表1试件的几何尺寸试件琳度/m层fm跨数信数维微面/mm盖板厚度mm加劲肋厚度mmBASE63.31+0.52H4OO2OO13161632SP-I4.83.31

8、+0.52H40020013X161632SP-27.23.3I+O.52H4OO2OO13161632ST-I62.7I10.52IMOO2OO13X161632ST263.91+0.52H4OO2OO13161632NS-I63.312H40020013X161632NS-263.322H40020013X161632NS-363.332HIOOX2OO13X161632NSY63.30.54I+0.52H4OO2OO13X161632BS163.31+0.52H4002008101020IJS-263.31+0.52H4002OO1O1212241JS-363.31+0.52H40020

9、0X15X242448试件跨度/m层高/m跨数层数梁截面mm盖板厚度mm加劲肋厚度mmBASE63.31+0.52H400X20013161632SP-14.83.31+0.52H40020013161632SP-27.23.31+0.52H400X20013161632ST-162.71+0.52H400X20013161632ST-263.91+0.52H40020013161632NS-163.312H40020013161632NS-263.322H40020013161632NS-363.332H40020013161632NS-463.30.5+1+0.52H40020013161

10、632BS-163.31+0.52H400X2008101020BS-263.31+0.52H40020010121224BS-363.31+0.52H400200152424484.1SP系列4.1.1骨架曲线SP系列试件主要考察了钢框架子结构跨度的改变对其层间显著屈服位移角的影响。图8给出了SP系列水平荷载一位移角的骨架曲线。0rad3-SP1;rASE;FSP-2图8SP系列试件骨架曲线由图8可知，随着跨度的增加，盖板加强节点钢框架子结构的水平承载力呈降低趋势。此外，随着跨度的增加，试件的初始刚度逐渐变小，但改变幅度较小。SP系列试件峰值时所对应的层间位移角约为0.03rado4.1.2

11、层间屈服位移角图9给出了SP系列试件的层间屈服位移角。0.0100.(X)80.0060.(X)4P0.002冬0.(XX)-0.002-0.()()4-0.006-0.008-0.010BASE试件编号负向；T-正向图9SP系列试件的层间屈服位移角由图9可知，随着试件跨度的增加，SP系列试件的层间屈服位移角呈线性增大趋势。以BASE试件为例，FEMA273规范方法确定层间屈服位移角为0.0086rad,与骨架曲线上的明显拐点的层间位移角0.0085rad极为接近，进一步说明采用FEMA273建议的方法确定钢框架子结构显著屈服层间位移角是合理的。4. 2ST系列4.2 .1骨架曲线ST系列试件

12、主要考察了钢框架子结构层高的改变对其层间显著屈服位移角的影响。图10给出了ST系列试件水平荷载一位移角的骨架曲线。qST-1;-0-BASE;eST-2图10ST系列试件骨架曲线由图10可知，随着层高的增加，盖板加强节点钢框架结构水平承载力和刚度均呈减小趋势。虽然ST-I骨架曲线的承载力峰值出现在层间位移角为0.04rad附近，但其与层间位移角为0.03rad时极为接近。4.3 .2层间屈服位移角图11给出了ST系列试件的层间屈服位移角。ST-IBASEST-2().01()0.0080.0060.004P0.002S0.()(X)e-0.002-0.004-0.(X)6-0.(X)8-0.0

13、10试件编号负向；正向图11ST系列试件层间屈服位移角由图11可知，随着结构层高的增加，盖板加强节点钢框架子结构的层间显著屈服位移角基本相等。结构层高对盖板加强节点钢框架的层间显著屈服位移角的影响可忽略。4.3NS系列4.3.1骨架曲线NS系列试件主要考察钢框架子结构跨数的改变对其层间显著屈服位移角的影响。图12给出了NS系列水平荷载一位移角的骨架曲线。-NS1;-NS-2;-BASE;NS3;fNS-4图12NS系列试件骨架曲线由图12可知，盖板加强节点钢框架子结构随跨数的增多，承载力呈增大趋势。钢框架子结构水平承载力与跨数基本呈线性关系。4.3.2层间屈服位移角图13给出了NS系列试件采用

14、FEMA273建议方法确定的层间屈服位移角。().01()()0080.0060.0040.0020.000-0.0()2-0.004-0.(X)6-0.008-0.01()试件编号负向；正向图13NS系列试件层间屈服位移角由图13可知，NS系列试件的层间显著屈服位移角略呈增大趋势。BASE试件为取NS-3试件的一半所得，两者的层间显著屈服位移角均为0.0086rad,两者在同一时刻进入屈服，进一步验证本文选取的子结构的边界条件正确。4.4BS系列4.4.1骨架曲线BS系列试件主要考察钢框架子结构钢梁截面的改变对其层间显著屈服位移角的影响。图14给出了BS系列试件水平荷载一位移角的骨架曲线。图14BS系列试件骨架曲线由图14可知，盖板加强节点钢框架结构，随着钢梁截面的增大，钢框架子结构的水平承载力及初始弹性刚度均呈增大趋势。4.4.2层间屈服位移角图15给出了BS系列试件的层间屈服位移角。试件编号f负向;正向图15BS系列试件的显著屈服位移角由图15可知，随着钢梁截面的增大，盖板加强节点钢框架子结构的层间屈服位移角呈明显的线性增大趋势。通常钢梁截面的增大，会导