《梁腹板开圆孔的钢框架抗震节点》由会员分享，可在线阅读，更多相关《梁腹板开圆孔的钢框架抗震节点（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、梁腹板开圆孔的钢框架抗震节点杨庆山 教授 (北京交通大学土木建筑工程学院)学科分类与代码:62013099基金项目:国家自然科学基金资助(50278001)。 【摘 要】 介绍了梁腹板开圆孔的钢框架梁柱节点,笔者探讨的基本思路是希望通过对梁截面的削弱确保结构在强震作用时的塑性铰远离节点域而出现在梁上;同时,该节点形式应用于住宅体系时,使水暖管线穿梁和降低结构空间占用成为可能。因此,笔者对该节点形式的基本受力性能及设计中需要考虑的构造措施进行了较详细的探讨,并利用ANSYS对其塑性区分布和剪应力分布进行了分析。研究结果初步表明,梁腹板开圆孔的钢框架节点具有理论上的合理性和实用上的可行性,可达到塑
2、性铰外移和增加使用功能的目的。 【关键词】 腹板开孔型节点;概念设计;有限元分析;钢框架Aseismic Connection of Steel Moment2resisting Frame with Opening on Beam WebYANG Qing2shan,Prof.(School of Civil Engineering 同时一定区域梁段的削弱可以使较长的一段梁几乎同步进入塑性,从而真正做到延性设计。图1 框架梁在水平地震荷载下的受力模型图2 标准型节点 图3 加强型节点 图4 削弱型节点图5 腹板开孔型节点图4所示的翼缘削弱型节点是近年来研究最多的削弱型节点形式,一定程度地降低
3、梁上指定区域的抗弯能力是翼缘削弱型节点的主要特色。除了梁的翼缘削弱之外,梁腹板削弱也是改进传统梁柱连接节点的可能方法之一。考虑到现代多高层钢结构房屋对室内净空高度的迫切要求,设备管道从梁腹板上穿过应该是满足这一要求的有益尝试。将满足功能要求与改进节点抗震性能联系起来,在梁柱连接节点附近的梁腹板上开设一定尺寸的圆孔以对相应梁段进行削弱图5(a) ,可能既使多高层钢框架结构梁柱连接节点的抗震性能得到提高,又使功能要求得到满足;同时梁上腹板开孔可在工厂内完成,既不增加节点加工工艺上的复杂程度,也不增加现场施工难度,这与我国现阶段的施工现状相符合。美国的FEMA350 (Federal Emergen
4、cy Management Agency)报告中曾提到过梁腹板开设圆孔的削弱型节点67,但并未给出其性能指标,亦未见其他相关文献的报道。3 梁腹板对翼缘的约束要求为了防止受压板件局部失稳,需限制其宽厚比,该限值与板件的支撑条件有关。梁翼缘宽厚比限值是根据其三边约束一边自由的支撑条件确定的。腹板开孔后,如果其剩余宽度过小,则难以对翼缘提供有效的约束而发生局部屈曲;当然这可通过局部增加板厚来解决,但这样又会造成施工困难或不经济。因此,腹板的开孔半径R不能过大。腹板对翼缘的约束作用类似于腹板横向加劲肋对腹板的约束作用(见图6)。文献8指出,腹板的横向加劲肋应满足:图6 腹板横身加劲肋助示意图 图7
5、梁上削弱最大部位的截面bs1h0/30+40(1)式中,bs1 加劲肋的宽度;h0 梁腹板高度。因此,梁腹板开孔后的剩余宽度(图7)也应满足类似的条件,即:64中国安全科学学报 ChinaSafetyScienceJournal第15卷 2005年h/2bf/30+4 h= h0-2R (2)式中,bf 翼缘的宽度。当然,这只是笔者的初步设想,欲建立相应的验算方法仍需作进一步的研究。4 削弱区域的应力分析腹板开孔的目的在于使结构在强震作用下产生的塑性铰偏离梁根部的节点焊缝区而出现在梁的削弱区域。钢梁在平面受力状态下截面上某点进入塑性的条件是:2+32=2 y(3)即Von Mises屈服准则,
6、其中,和分别为该点的正应力和剪应力,y为钢材的屈服强度。距削弱区域较远的截面在荷载作用下的正应力和剪应力可利用平截面假定由材料力学知识方便求得,但当梁截面受到如图5(a)所示的削弱后,平截面假定不再成立,此时各截面上的应力、 应变分布除与外荷载有关外,还与削弱位置(用参数b表示)、 削弱程度(用参数R表示)有关,利用传统的材料力学和弹性力学的解析方法不易得到满意的解答。因此,一般采用数值方法进行讨论。411 分析模型及加载制度笔者以图8所示的梁柱连接节点(R和b是腹板的削弱参数)为例分析腹板开孔型节点的基本受力性能。所选用钢材为Q235 ,其单轴应力应变关系如图9所示,屈服强度y= 272 N
7、/ mm2,泊松比= 0.3 ,弹性模量E= 2.0105 MPa。根据钢结构规范及抗震设计规范要求,选用的梁柱截面如图10所示。节点模型的加载是在悬臂端施加120 mm的竖向位移,共分两个荷载步。第一荷载步从0 mm加至30 mm,分10个子步,即每个子步施加3 mm;第二荷载步从30 mm加至120 mm,分为9个子步,即每个子步施加10 mm。图8 节点尺寸示意图(单位:mm) 图9 材料应力一应变关系 图10 梁、 柱截面图(单位:mm)412 有限元网格大小的确定笔者选用ANSYS软件的45号实体单元(Solid45)和自由网格对梁柱节点模型进行单元剖分,重点是分析开孔周围应力、 应
8、变分布以及塑性铰出现位置和扩展过程。为了在保证分析精度的前提下尽量提高效率,特别对网格大小的影响进行了讨论,现对柱翼缘至梁根部600 mm区域内的网格尺寸控制参数Esize分别选用8 - 24 ,对削弱参数b和R分别取385 mm和125 mm的节点模型进行计算。部分计算结果如图11图14所示(e表示弹性阶段,p表示塑性阶段)。图11 距柱翼缘385 mm处翼缘板正应力分布图12 距柱翼缘385 mm处翼缘板剪应力分布由图可以看出网格大小对计算精度有一定的影响,但是影响不大,综合考虑计算精度与计算用时,在以后的计算分析中选取网格大小控制参数Esize = 18。413 截面上的应变分析平截面假
9、定成立与否是决定采用何种分析方法的重要依据,下面分别对削弱最大处截面和距削弱截面较远(距最大削弱截面415 mm)未削弱截面在弹性阶段和塑性阶段的应变进行了比较,计算模型同上(b和R分别取385 mm和125 mm) ,计算结果如图15图18所示。74第二期 杨 庆 山:梁 腹 板 开 圆 孔 的 钢 框 架 抗 震 节 点图13 距柱翼缘385 mm处腹板正应力分布 图14 距柱翼缘385 mm处腹板剪应力分布图15 弹性阶段梁翼缘沿宽度方向的正应变分布 图16 塑性阶段梁翼缘沿宽度方向的正应变分布图17 弹性阶段梁腹板沿高度方向的正应变分布 图18 塑性阶段梁腹板沿高度方向的正应变分布从图
10、15和图17中可以看出,在弹性阶段,削弱截面和未削弱截面上基本满足平截面假定,表现为翼缘上正应变值基本相等,腹板上正应变呈直线变化。从图16和图18中可以看出,进入塑性阶段以后,未削弱截面仍满足平截面假定,而削弱截面不再满足平截面假定,表现为翼缘上应变不再相等,进入塑性以后腹板上应变也不再是呈直线变化。如前所述,笔者的目的是重点分析削弱区域的应力、 应变分布和塑性区分布,而在这一区域平截面假定不再成立,以材料力学为基础的解析方法不再适用,因此,下面用数值分析的方法讨论削弱参数R和b的影响。414 R、b对塑性铰位置的影响研究腹板开孔型梁柱节点的主要目的在于一方面使梁上塑性铰出现的位置远离节点区
11、,另一方面保证构件承载力下降不大。研究中将有效塑性应变发展最迅速的截面定义为塑性铰,定义了两组参数来确定开孔半径R和开孔位置b对塑性铰出现位置的影响,具体数据如下表所示。参数分析数据表mm第一组参数分析b=385r=20 ,40 ,60 ,80 ,105 ,125 ,145第二组参数分析R=125b=185 ,235 ,285 ,335 ,385 ,435 ,485现以R= 125 mm,b= 385 mm的节点模型为例说明塑性铰的形成过程。当加载至12 mm时见图19(a) 腹板洞口边缘开始进入塑性(浅阴影区) ;加载至15 mm时梁根部翼缘板上开始出现塑性区见图19(b) ;加载至18 m
12、m时腹板洞口边缘处以及梁根部翼缘板塑性区继续扩展,腹板开孔处翼缘板出现塑性区见图19(c) ;加载至21 mm时腹板开孔处翼缘板、 腹板上塑性区开始贯通见图19(d) ,而梁根部翼缘板上的塑性区未继续发展;加载至24 mm时腹板开孔处全截面进入塑性,塑性铰形成见图19(e) 。84中国安全科学学报 ChinaSafetyScienceJournal第15卷 2005年图19 R=125 mm,b=385 mm节点模型塑性铰形成过程图20是第一组参数分析的结果。从中可以看出开孔半径R小于105 mm时,塑性铰出现在梁的根部(距柱翼缘60 mm左右) ,当开孔半径大于105 mm时,塑性铰出现的位
13、置会发生跳跃,移至开孔处(距柱翼缘270 mm左右)。图20 开孔半径R对塑性铰位置的影响图21是第二组参数分析的结果,从中可以看出当开孔位置距柱翼缘小于435 mm时,塑性铰位置随着开孔位置的外移而外移,基本上呈线性关系。当开孔位置大于435 mm时,梁根部的塑性应变发展超过开孔截面处塑性应变的发展,构件塑性铰位置回到梁的根部(距柱翼缘60 mm左右)。图21 开孔位置b对塑性铰位置的影响图22 R=60 mm 图23 R=125 mm 图24 R=145 mm图25 b=235 mm 图26 b=435 mm 图27 b=485 mm94第二期 杨 庆 山:梁 腹 板 开 圆 孔 的 钢
14、框 架 抗 震 节 点为了较形象地说明塑性铰的位置的变化,图22图27分别给出了R= 60 mm,125 mm,145 mm ,b= 235 mm,435 mm,485 mm时的塑性应变分布图。图28是b= 385 mm,R= 0 mm,105 mm ,125 mm,145 mm节点模型的荷载位移曲线,R= 105 mm,125 mm,145 mm时承载力基本上等比例下降,但R= 145 mm时屈服应力较R= 0 mm ,105 mm,125 mm时有较大幅度下降。根据前面的分析可知R105 mm后即可到达塑性铰外移的目的,且屈服强度和极限承载力均下降很少(5 %以内) ,故无需进一步增加削弱
15、半径,而实际上由式(2)可知开孔半径也不能太大:R141 mm。由图29可以看出在有效削弱范围内节点的滞洄曲线与未削弱节点的基本相同,未引起强度和刚度大幅度(10 %)退化。图28 荷载位移曲线 图29 节点滞洄曲线5 实验研究上面从理论分析和数值计算方面说明了梁腹板开圆孔的合理性和可行性,但在这些分析中不可能将实际工程中的所有因素(残余应力、 热脆效应等)均予以考虑,故还需作进一步的实验验证。笔者于2004年24月在清华大学结构试验室对上述算例进行了12个足尺试件的拟静力试验,实验装置及部分结果如图30、 图31所示。图31及实验结果的后续分析表明上述理论分析和数值计算是正确的。图30 试验装置布置图图31 试件破坏形态图6 总 结腹板开孔型梁柱连接节点是根据钢框架结构的震害特点而设计的一种削弱型延性节点,其兼备塑性铰从节点外移和增加建筑使用功能两方面的优点。由笔者的分析及实验结果可知这种节点具有可行性。其原因在于梁截面尺寸是按梁根部的最大弯矩确定的,而削弱截面的抗弯承载力具有一定的冗余度,这种冗余度使翼缘板参加抗剪工作成为可能(见图12)。由于翼缘板参加抗剪,使得削弱截面的抗剪能力并未象图5(b)所示那样随腹板削弱面积等比例的降低。腹板所开的圆孔半径与圆孔中心距柱表面的水平距离是其主要的设计参数。根据笔者的初步设想,这两个参数的取值应由梁根部与削弱最大截面的抗弯能力
