开孔位置对蜂窝钢柱钢梁节点抗震性能的影响

曾俊 翟章琳

【摘要】通过有限元模拟对蜂窝钢柱与钢梁节点的抗震性能进行研究。利用有限元软件建立合理的有限元模型，对开孔率，孔心间距不变的蜂窝柱选取参数L和Z作为变化因素，在低周反复荷载作用下进行模拟，得到了不同参数L和Z下蜂窝钢柱与钢梁节点的滞回曲线、骨架曲线，并对其应力分析、延性及耗能性能、刚度退化进行对比与分析；结果证明：对于一定轴压比（n=0.45）的蜂窝钢柱与钢梁节点，采用合适的开孔参数可控制塑性铰的位置，避免节点发生脆性破坏。

【关键词】蜂窝钢柱与钢梁节点；有限元分析；抗震性能；开孔位置

一、引言

这里蜂窝钢柱是一种钢管构件，特别是涉及一种用于土木工程中的开孔钢管柱。该柱由在钢管壁上开洞的钢管构成。在空心钢管柱钢管侧壁上开有孔洞。孔洞洞口形式可以为圆形、方形、多边形。空心钢管柱截面是矩形或圆形或多边形。建筑物中建筑物框架结构的主要构件，也可作为电线杆的主要构件，具有承载力高，刚度大、重量轻，塑性、韧性好，抗冲击和抗疲劳性能好，节约材料等特点。但对于这种新型结构体系的关键部位柱-梁节点的抗震性能的研究还不完善，因此本文拟对蜂窝钢柱-钢梁节点的抗震性能进行有限元分析，来为该新型钢柱节点性能进一步研究和工程应用提供理论依据。

二、有限元模型的建立

利用有限元模拟软件ABAQUS，对低周反复荷载作用下的蜂窝钢柱与钢梁节点抗震性能进行模拟分析。模型采用蜂窝柱高度为1400mm，蜂窝尺寸为70mm，钢梁长度为800mm，其他尺寸见表1，钢材型号为Q345，弹性模量为2.05×105Mpa，泊松比为0.3，屈服应力为328Mpa[1]。

图1 整体模型图 图2 模型剖面图

三、钢材本构关系

钢材的本构模型选用ABAQUS 中基于经典金属塑性理论的等向弹塑性模型，并根据Von.Mises 屈服准则确定其在复杂应力状态下的应力-应变关系。方钢管柱及钢梁材性参数取单向拉伸试验测得的平均值，穿芯螺栓采用8.8级M20高强螺栓，高强螺栓屈服强度取 ，钢材的应力-应变曲线均采用四折线型模型[2]，如图3 所示。

图3 钢材应力-应变关系曲线

钢材的应力-应变公式为：

当 时，

当 时，

當 时，

当 时，

上式中：

四、约束条件及荷载施加

试件的边界条件根据实际情况模拟[3]：柱顶端施加x、z方向约束，底端试件x、y、z三向约束，为防止梁侧向整体失稳，悬臂梁端施加z方向约束。x、y分别为梁轴方向、柱轴方向。如图1所示，第一个分析步是在柱顶施加竖向荷载，其中轴压比为0.45，柱顶轴压力为1121.76kN，最后在梁端施加位移控制的水平往复荷载[4]，网格划分如图4所示：

（a）整体图 （b）节点图

图4 构件网格划分图

五、有限元分析

（一）选取参数

（二）应力云图

通过ABAQUS建立的模型的应力云图[5]，如图5所示：

（a） FWJD-1应力云图 （b） FWJD-2的应力云图

（c） FWJD-3的应力云图 （d） FWJD-6的应力云图

图5 构件的应力云图

图5为四个构件的应力云图，此时四个构件都已经破坏，但是从应力集中以及应力大小可以看出构件FWJD-1的应力主要出现在蜂窝孔洞边缘处，构件FWJD-2和FWJD-3的应力主要体现在离接近节点的蜂窝孔洞边缘及节点，而构件FWJD-6梁端以及节点处应力集中现象都比较严重，就是说梁和节点都发生了破坏。

（三）滞回曲线

滞回曲线是结构刚度退化、强度衰减、耗能能力及延性等抗震性能的综合体现，曲线的饱满程度与构件的耗能能力密切相关，是确定恢复力模型和进行非线性地震反应分析的依据[6]。在低周往复荷载作用下，可以得到结构的荷载-位移滞回曲线，图6为蜂窝钢柱钢梁节点的P-Δ滞回曲线，可以看出：

（a） FWJD-1的滞回曲线 （b） FWJD-2的滞回曲线

（c） FWJD-3的滞回曲线 （d） FWJD-6的滞回曲线

图6 构件的滞回曲线

试件FWJD-1、FWJD-2的滞回曲线相似，曲线平滑、饱满，说明试件具有较好的延性性能和耗能能力。同一曲线正、反向走势也相似，同一滞回圈中正、反向梁端竖向荷载值基本相等。说明节点在正、反向有相似的力学性能和抗震性能。从整体上看，在保证螺栓质量的情况下，反复荷载作用下蜂窝钢柱-钢梁节点具有稳定的承载能力和良好的变形能力。随着荷载也就是位移幅值的增大，剪力的影响逐渐明显，构件FWJD-3、FWJD-4的滞回曲线的捏缩现象也更加明显。

（四）骨架曲线

低周往复循环荷载作用下，节点的滞回曲线每次循环的峰值点的连线即为骨架曲线，该曲线能够反映出试件的屈服荷载与位移、极限荷载与位移等特征，同时它反映了在正反交替荷载作用下，结构或构件吸能耗能、延性、强度、刚度及退化等力学特征。图7、图8分别为改变参数L和N的情况下，蜂窝钢柱-钢梁节点的骨架曲线。

图7 模型A骨架曲线 图8 模型B骨架曲线

各骨架曲线走势相似，都经历了弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段，各阶段的分界点分别是屈服荷载、极限荷载。当试件进入弹塑性阶段后，梁端竖向荷载继续增加但增速变缓，经过塑性强化达极限荷载 后，开始下降直至塑性破坏。说明节点主要受力部位发生屈曲塑性变形，大量的残余塑性变形导致其刚度明显衰减。

（五）延性及耗能分析

延性是指结构或构件屈服后的变形能力，它是衡量结构抗震性能的重要指标之一，通常用位移延性系数 来衡量， 值越大结构或构件延性越好。其定义为： （ 式中： 是节点破坏时对应位移， 是节点屈服对应位移）。 表4为开孔位置对蜂窝钢柱-钢梁节点的延性与耗能能力的影响。极限位移取自骨架曲线上最大荷载85%时对应得位移值，并且通过分析此点位移延性比来评定构件变形能力的好坏。

结构的耗能能力是评价这个结构的一个重要标准，结构的滞回曲线中滞回环所围出的面积代表的就是这个结构的耗能能力的大小，通常用结构的等效粘滞阻尼系数来评价结构的耗能能力好坏，等效粘滞系数小耗能能力就不好，随着等效粘滞系数的增大，结构的耗能能力也越来越大。等效粘滞系数 的计算公式如下：

式中： 为滞回环面积（取最后一个滞回环来计算）； 为滞回环顶点的荷载； 为滞回环顶点的位移值.取极限荷载所对应的柱端位移振幅下的滞回环进行计算。

五个构件的位移延性系数都大于2.0，延性性能较好。由上表计算得到的粘滞系数的计算结果可以看出，系数越大的构件耗能能力也越好。

（六）刚度退化

刚度退化是指在一定位移下，随着循环次数的增加，结构或构件的刚度降低的过程；或者荷载峰值相同时，循环次数增加会使峰值位移也增加的性能[7]。计算公式为：

式中， 表示环线刚度； 表示位移延性系数为j时，第i次循环的峰值点荷载值； 表示位移延性系数为j时，第i次循环的峰值点变形值；n表示循环次数。

在循环荷载作用下，根据上述刚度退化的定义，如图9所示：

图9 刚度退化曲线

六、结论

（1）在这次模拟中四个构件模型共产生了两种破坏形态，即FWJD-1、FWJD-2构件产生的梁端弯剪破坏，FWJD-3、FWJD-6构件梁端弯剪-节点剪切破坏。构件更加符合抗震设计：强节点弱构件。

（2）构件产生弯剪破坏，它们的滯回曲线较前两个也更加饱满，仅仅在加载到后期构件由于梁端的剪切变形的增大才产生了一些捏缩现象。构件发生的是弯剪-节点剪切破坏，它随着节点裂缝的开展滞回曲线捏缩也更加明显。此外五个构件的位移延性系数都是大于2.0的，并且FWJD-3、FWJD-5、FWJD-6位移延性系数大于FWJD-2、FWJD-4，位移延性系数越大，构件的耗能性能就越好，抗震性能也越好。

参考文献

[1]王瑞锋，贾连光，吴良等.蜂窝式钢框架梁柱节点性能分析[J].《钢结构》2010增刊，331-338

[2]李青山.圆孔蜂窝节点的有限元分析[D].沈阳建筑大学硕士学位论文.2007

[3]童根树.钢结构的平面外稳定[M].中国建筑工业出版社.

[4]王先铁，马尤苏夫，王连坤，郝际平，罗古秋.方钢管混凝土框架抗震性能试验研究与非线性有限元分析[J].地震工程与工程振动，2013，33（4）：127-133

[5]徐亚丰，孙丽，白首晏，梁德志.ABAQUS工程实例模拟分析及详解[M].2013

[6]顾强.钢结构滞回性能及抗震设计[M].中国建筑工业出版社.

[7]何业玉.型钢混凝土梁柱节点的抗震性能[D].合肥工业大学硕士论文.2012