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摘 要：针对梁端翼缘扩翼型节点抗震性能,在试验研究基础上通过建立有限元分析模型衍生设计了2组16个试件,采用Ansys有限元分析方法深入探讨了梁端翼缘扩翼型节点的扩大宽度、扩大长度等参数对节点极限荷载、延性性能等抗震性能影响.根据试验及有限元模拟的试件破坏结果,对容易导致节点断裂发生的薄弱环节的开裂可能性进行了评估,通过引入等效塑性应变指数,从理论上分析了梁端翼缘扩翼型节点的断裂机理.介绍了梁端翼缘扩翼型节点扩翼参数的设计方法.
关键词：侧板加强型节点；直接扩翼型节点；扩翼参数；等效塑性应变指数；断裂特性
中图分类号：TU391 文献标志码：A
文章编号：16744764（2013）02005209
钢框架梁端翼缘扩翼型节点按细部构造可以分为梁端翼缘侧板加强型节点和梁端翼缘直接扩翼型节点,如图1所示.其工作原理是通过加大梁翼缘端部截面,增大梁柱连接处的抗弯能力,使梁柱端部焊缝和焊缝区域断面应力小于非焊接区,促使塑性铰的位置离开柱面梁端一定距离,达到塑性铰外移设计目标.虽然学者们已就梁端翼缘扩翼型节点展开研究,并取得了一定的研究成果[15],但此类节点在实际工程中的应用尚不广泛,原因之一是加强构件的几何参数对节点受力性能的影响还不够成熟.另一方面,虽然中国在2010年颁布实施的《建筑抗震设计规范》第8章多层和高层钢结构房屋的设计中[6],建议在抗震等级为一级和二级时宜采用将塑性铰外移的梁端翼缘扩大型等4种节点连接形式,但具体设计方法和实施步骤尚不够明确.
王 燕,等：梁端翼缘扩翼型节点抗震性能分析
笔者针对设计方法不够明确,难以在工程中应用的实际困难,归纳总结了梁端翼缘扩大型节点的设计步骤,并以侧板加强型节点为例给出了具体设计过程.以试验试件（侧板加强节点为SPS1, SPS2、直接扩翼型节点为WFS1, WFS2和普通节点NFS）为基础[7],建立了有限元模型SP1、SP2、WF1、WF2、NBF.通过对比试验和有限元分析的试件破坏形态,验证了有限元研究方法的可靠性.以文献[7]试验试件为基础,衍生设计了2组共16个有限元计算模型试件,分析了节点扩翼参数对承载力及延性性能的影响.最后通过对梁端翼缘扩大型节点断裂倾向指数的对 析,研究了构造形式对节点抗震性能的影响,并对梁端翼缘扩大型节点的抗震性能进行了评估.
1 试验现象和有限元结果对比
1.1 试件设计
梁端翼缘侧板加强型节点和梁端翼缘直接扩翼型节点的共同特征都是通过加强梁端截面,促使塑性屈服在距离柱面梁端以外的区域出现并扩展,避免塑性铰出现在韧度较差的焊接接头处,以确保构件具有足够的延性.其基本思想根据地震弯矩梯度对梁端截面进行加强,使加强后的区域截面抵抗弯矩大于地震弯矩需求梯度.由于塑性铰总是在结构M/Mu值最大截面处首先出现,因此只要使得加强段端部梁截面M/Mu值大于梁上其它截面处的M/Mu值,加强段端部就会形成塑性铰,远离梁柱翼缘交界面,如图2所示.
1参照日本《钢构造结合部设计指针》取侧板和梁翼缘等厚,根据lc等于（0.5～0.75）hb,初步选择侧板长度.参照美国FEMA350规定,初步确定扩翼段和圆弧段长度：la等于1.2 梁端翼缘扩大型连接节点试验
文献[7]对表2中的SPS（1,2）、WFS（1,2）系列试件以及1个普通栓焊节点试件NFS进行了1/2缩尺比例的试验,结果表明,4个梁端翼缘扩大型梁柱节点均达到了抗弯钢框架连接的抗震要求,而普通试件由于梁柱焊缝根部的脆性破坏制约了梁柱节点的塑性性能,试件极限承载力破坏状态描述见表3.
试件编号试验破坏状态描述
SPS1焊接侧板端部梁下翼缘沿梁宽撕裂,梁上、下翼缘在焊接侧板末端外产生明显的局部屈曲,梁腹板发生凸曲
SPS2侧板端部梁翼缘横向开裂,梁上、下翼缘均有明显局部屈曲,腹板出现微小凸曲
WFS1梁上、下翼缘圆弧扩大区末端产生明显的局部屈曲,梁腹板发生严重凸曲,塑性破坏
WFS2梁腹板和柱翼缘焊接处撕裂,梁上翼缘表面形成贯通式半月型裂缝,梁上、下翼缘扩翼圆弧段有明显的局部屈曲
NFS梁扇形焊缝通过孔根部处的下翼缘沿梁宽度方向被突然拉断,上翼缘仅有微小屈曲,脆性破坏
试验结果表明,梁端翼缘直接扩翼型节点的塑性铰中心形成于扩翼圆弧段末端,塑性铰中心形成于加强侧板端部以外1/4梁高处,2种节点均达到塑性铰外移目的.
1.3 有限元建模及加载
建立和试验试件WFS1、WFS2 、SPS1、SPS2、NFS对应的有限元数值模型分别为WF1、WF2 、SP1、SP2、NBF.材料的本构关系采用线性强化弹塑性力学模型,分析时假设钢材的受拉和受压弹性模量相同,材性试验关键点数据：σy等于299.2 N/mm2,εy等于0.144%,E等于2.06×105 N/mm2,σu等于4206 N/mm2,εu等于18.0%,εst等于26.4%,泊松比为0.3.
梁、柱均采用solid95 实体单元进行自由网格划分,在模拟过程中,由于焊接残余应力对节点整体最终破坏形态和受力性能影响不大[1011],为突出扩大型节点构造对节点性能的影响,分析中忽略了节点焊缝缺陷、焊接残余应力影响.直接圆弧扩翼式及侧板加强式节点三维实体有限元模型如图4所示.
加载制度采用施加周期位移荷载的方式,参照试验采用的位移加载方式,初始位移为屈服位移△y的20%,之后,每级位移荷载取屈服位移荷载的20%,每级循环1次,直至达到屈服,步长按△y控制,依次施加2、3、4倍屈服位移,每级荷载循环2次.
研究选用Von Mises屈服准则来判断初始屈服的发生,当等效应力超过材料的屈服应力时,将发生塑性变形.而后继屈服必须通过“流动法则”和“强化准则”来预测.
总结:本文是一篇关于抗震性能论文范文，可作为相关选题参考,和写作参考文献。
参考文献：
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