自复位梁腹板耗能钢框架节点抗震性能分析

史三元，王帅，王朋飞，白佳楠

(河北工程大学土木工程学院，河北邯郸056038)

目前我国的抗震设防目标要求是“小震不坏，中震可修，大震不倒”即在遭遇小震作用时，建筑物一般不会损坏，在相应基本烈度的地震作用下，建筑物不发生严重损坏;在遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震作用时，建筑物不致倒塌或发生危及生命的严重破坏［1］。但由于地震作用震动方向的不确定和比人们认知的更加复杂，结构所遭受的地震作用可能会比房屋的抗震设防烈度高得多。都江堰和汶川按现行规范的设防烈度是7度，但在2008年汶川地震中，都江堰烈度为9度，汶川烈度为11度，远超大震设防烈度［2］，建筑物几乎全部损毁，虽然有少数房子没有倒塌，但其中大部分框架节点出现“残留变形”而不能继续使用。“残余变形”过大的建筑物往往无法修复到正常使用状态，最终只能拆除。

虽然焊接节点能够承受更大的塑性变形，但是往往在地震后残余变形较大，即使花费再多的费用，也很难恢复到以前的状态，因此有些在地震中并未倒塌的房屋也会因为这个原因而推倒重建。为了解决这类问题，我们采用一种自复位腹板耗能钢结构。

1 节点构造概述及工作原理

1.1 自复位腹板耗能节点构造

因为耗能装置位置并不完全对称，所以能量耗散的不同取决于梁相对柱旋转是以梁哪个翼缘末端为支点。为了能够使能量耗散不因旋转点的不同而不同，一个新的设计产生，在梁腹板上设计并安装摩擦装置，这样的装置被称为腹板摩擦装置(WFD)。在槽钢和梁腹板间是铜质摩擦板，并且梁上的螺栓孔配置与槽钢相同。这些摩擦板能够在铜质摩擦板和梁腹板之间制造一个摩擦面。随着梁相对于柱发生转动，摩擦装置开始耗能。在这个设计中将带有一字螺栓孔的槽钢以梁腹板为对称面对称焊接在柱上。

WFD节点中的两个槽钢与柱翼缘焊接，并且通过摩擦型高强螺栓将这两片槽钢和梁腹板夹紧，从而使梁在移动时产生摩擦力。梁腹板上的孔槽是为了在梁柱连接节点打开或关闭时可以容纳高强螺栓发生轻微的滑动。该节点将加强板(加筋肋)设计焊接在柱翼缘内表面与槽钢上下翼缘平行位置，为了防止柱翼缘因预应力钢绞线孔而产生的疲劳破坏。

1.2 自复位腹板耗能节点的工作原理

节点张开后，梁柱连接处的弯矩M由轴向力P和摩擦力Ff共同承担，公式如下［3］:

式中d2－预应力合力中心到梁端旋转中心的距离，r－摩擦力到梁端旋转中心的距离。

旋转中心位于与柱翼缘有压力作用的梁的接触面上，轴向力P主要由钢绞线拉力T提供。如果考虑楼板与框架梁的相互作用，轴向力P还将包括楼面梁传递的压力Ffd。

钢绞线拉力T由下述公式得到。其中T0为钢绞线的初始拉力，Kd，Ks，分别为梁和钢绞线的轴向刚度。

理论上，在循环荷载作用下的自复位腹板耗能结构的M －θr的曲线［4］如图1所示。从0－1节点处如同传统的焊接节点具有初始刚度。MIGO为消压弯矩，Wb为截面受拉边缘的弹性抵抗矩，MFf代表摩擦件提供的弯矩。一旦节点处克服了即将到来的裂缝时，弯矩就会到达MIGO。在MIGO被克服后，相对转角逐渐增大，钢绞线应力、框架梁的压缩量随之增加，直至3点钢绞线屈服。在2到4的卸载过程中θr保持恒定，节点弯矩因反向摩擦力的作用，首先下降2MFf，从4继续卸载到5，转角θr变为0，节点重新闭合。继续卸载，从5下降到6，当弯矩变为0时，节点处的梁柱接触面重新处于压紧状态，结构在正向或反向加载时节点的关系保持对称。

2 Ansys计算模型建立

本文通过自复位腹板耗能钢结构梁柱节点在低周循环荷载下的数值模拟分析，详细介绍了ANSYS建模及分析的全过程。通过对节点进行循环加载模拟，得到该类型节点在循环加载作用下的M－θr滞回曲线和骨架曲线，确定该试件是否具有自复位能力，抗震性能是否良好，并验证有限元分析的正确性。

2.1 模型参数

模型(如图2)几何尺寸如表1(单位:mm)。

槽钢:高 ×长 ×肢宽 ×厚:200×200×130×15;材质为Q345B;接触面钢丝刷除锈处理。螺栓:8.8级摩擦型高强螺栓，直径19 mm;材质为16锰钢。螺栓水平间距 70 mm，竖向间距100 mm。钢绞线采用双折线模型7φ15.2，单根钢绞线的预应力为120 kN。

表1模型参数表Tab.1 Table of the model parameters

本文采用实体建模的方法。由于框架为对称结构，可以取一半的框架进行计算［5］。本模型主体结构采用Solid92单元，钢绞线采用Link10单元，接触对采用Conta174和目标单元Targe170，模型如图2。

材料的弹性模量E=2e11 N/m2，泊松比ν=0.3，材料密度 ρ=7 850 kg/m3，线膨胀系数为 1e－5。

Solid92单元不需要定义实常数，只有模拟预应力拉索的Link10单元需要定义实常数，钢绞线的横截面积为1.81 ×10－4m2。

2.2 预应力施加方法

钢绞线预应力的常用施加方式可分为两种［6］:(1)降温法。先为钢绞线设定一个初始温度，并给定一个温度下降值，根据热胀冷缩原理，使钢绞线产生一个收缩变形。此初始应变将使钢绞线产生预拉作用，这个预拉作用即为模型的预拉力。钢筋的温降值公式为ΔT=P/(a×E×A)。式中△T－钢绞线的温度下降值;P－所产生的预拉力大小;E－钢绞线的弹性模量;A－钢绞线的横截面积;α－钢绞线的线性膨胀系数。

(2)初始应变法。给钢绞线设定一个初始拉力，放松后使钢绞线产生收缩变形。此初始应变将使钢绞线产生一个预拉作用。初始应变的公式为 ε=P/EA。

式中ε－钢绞线的初应变;P－预拉力施加值;E－钢绞线的弹性模量;A－钢绞线的截面面积。

模型的高强螺栓使用直接施加预紧单元来施加预紧力，但预应力钢绞线采用的是降温法。

相较于初始应变法，降温方法比较简单，可以同时在不同位置设定不同的预紧力即能够对应力损失进行模拟;初始应变法通常不能考虑预应力损失，否则每个单元的实常数各不相等，工作量较大。因此，对高强螺栓施加预紧力采用直接施加PRETS179单元，对于预应力钢绞线采用降温法加载，初始预拉力为110 kN，转化为温度为－331℃。

2.3 加载控制

通过施加低周循环荷载来模拟地震作用。循环加载方案:通过对梁端施加位移荷载进行控制，即先在梁端施加向上的5 mm的位移荷载，再反向施加5 mm位移荷载，这就是一个加载周期，其中包含有四个荷载步。然后将位移量加至10 mm，之后每次增加10 mm。采用同种方法直到试件被破坏。试件破坏的形式有两种:一是转角过大，允许转角范围 0.02 －0.05 rad。二是螺栓滑移［8］。本文以转角为参照，最终相对位移角目标为3%。

2.4 计算结果

按上述方法施加循环荷载后，提取M－θr滞回曲线进行分析(如图3)可以看出:纵坐标为梁端产生弯矩M(kN·m)，横坐标为框架梁与框架柱之间的相对位移角θr(rad)。当M ＜10 kN·m时，即裂缝张开之前，节点刚度较大，M－θr关系曲线基本呈线性。当梁开始与柱产生裂缝时，梁与柱相对位移角达到1%左右，弯矩增长趋势变缓。梁与柱脱开后，节点刚度主要由预应力钢绞线及框架梁提供。在每一个循环中，当弯矩为0时，相对位移角也回到0点，说明节点具有较好的自复位能力。随着在Y方向位移的逐渐增大，节点处所受正弯矩也逐渐增大，节点张开角度逐渐增大，当弯矩达到最大值28 kN·m时，相对位移角θr最大，此时相对转角最大值小于3%。反之，当梁端所受弯矩为负弯矩时，梁的转动轨迹类似，相对转角的最大值依然小于3%。

由图4骨架曲线可知:在开始施加荷载时，结构具有较好的刚度，随着梁在Y方向位移的增加，梁柱接触面间的缝隙逐渐增大，槽钢接触面摩擦的增大及梁本身的塑性破坏，节点刚度变化趋势逐步平稳，刚度逐渐减小。不同于现浇结构的是，随着Y方向位移的逐渐增大，节点刚度的减小，即使Y方向加载到100 mm时，节点仍未出现负刚度，屈服后刚度仍然稳定，未出现下降段。

3 结论

1)相对转角最大值小于加载控制中所提到的3%，在ANSYS模拟的地震荷载作用下，该自复位节点在地震荷载作用下耗能能力良好。

2)当模型在Y方向位移荷载达到100 mm时，模型屈服后的刚度达到稳定，能够减小震后结构的残余变形和提升结构的抗震能力，也说明结构的抗震能力良好。

［1］GB50011－2010，建筑抗震设计规范［S］.

［2］吕西林，陈云，毛苑君.结构抗震设计的新概念体系—可恢复功能结构［J］.同济大学学报，2011，39(7):941－948.

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［5］奚敏.双腹板、顶底角钢半刚性节点的Ansys数值模拟分析［D］.合肥:合肥工业大学，2009.

［6］付永强，张小水，胡成.预应力混凝土结构施加预应力的Ansys模拟［J］.工程与建设，2008，22(6):784－786.

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