上焊下栓节点钢框架力学性能研究

王梓豪,郁有升,*,林 冰,2,杨淑娟,衣 俊

(1.青岛理工大学 土木工程学院,青岛 266525;2.中国建筑股份有限公司技术中心,北京 100097; 3.青岛房地产事业发展中心,青岛 266071)

装配式钢结构因轻质高强、高延性高韧性、施工周期短、绿色可回收等特点,应用范围愈加广泛。在钢结构中,梁柱节点是结构的关键部位,在20世纪末期,传统的钢结构梁柱节点在美国北岭和日本阪神两次地震中出现脆性破坏[1-2],造成了极大损失。此后,国内外学者将研究重点放在钢结构梁柱节点的抗震性能上,提出了一类新型带悬臂梁段拼接节点,并针对此类节点开展了大量的研究[3]。

ZHANG等[4]设计了一种新型预制钢结构梁柱节点,并对其开展试验研究,结果表明,该节点抗震性能较好,变形主要集中于翼缘拼接板上,通过更换翼缘拼接板可实现震后节点的快速修复。OH等[5]对2个翼缘拼接板削弱型和1个按等强度设计法设计的柱-树节点进行了拟静力试验研究,发现削弱型节点的抗弯承载力降低不明显,耗能能力更好。OH等[6]随后对弱轴连接的等强度设计的柱-树节点和削弱梁翼缘的柱-树节点进行试验研究,试验结果表明两种节点均具有较好的层间位移能力,且削弱梁翼缘的柱-树节点拥有更好的延性。乔光德等[7]针对一种新型钢-混凝土组合边节点进行了有限元分析,探究了节点盖板长度和柱轴压比对节点抗震性能的影响。焦燏烽等[8]对一种新型栓焊拼接节点进行了数值模拟,发现该节点力学性能良好,并给出节点设计建议。张爱林等[9]对一种Z字形悬臂梁段拼接节点进行了试验研究,研究表明,该节点具有良好的变形和耗能能力。张爱林等[10]随后对3种悬臂梁不同拼接方式下的梁柱节点进行静力性能研究,研究发现3种节点均表现出较强的延性水平和塑性转动能力。李启才等[11-12]对带悬臂梁段拼接节点开展试验分析,发现采用螺栓连接拼接节点具有较好的延性。张孝栋[13]提出一种“互”形带悬臂梁拼接节点,利用交错布置的翼缘拼接板实现梁段的连接,施工时定位方便,且无需现场施焊,但其梁上翼缘螺栓的凸起妨碍了楼板的铺设。因此,文献[14]中提出一种上焊下栓节点,该节点将“互”形节点梁上翼缘连接方式改为对接焊缝连接,方便了楼板的铺设,更符合装配式建筑施工要求。

目前,通过对上焊下栓节点开展试验[14]和有限元分析[15-16],已经得到了一些实质性的结论。然而,这些研究仅限于节点层面,无法对其在实际钢框架中的表现进行准确评估。因此,本文为了深入研究上焊下栓节点钢框架的整体力学性能,利用有限元软件ABAQUS分别建立如图1所示的带悬臂梁普通栓焊节点钢框架CHF和上焊下栓节点钢框架WBF,进行低周往复荷载加载分析,对比钢框架的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线等力学性能指标,同时分析了翼缘拼接板宽度和厚度对上焊下栓节点钢框架力学性能的影响,研究结果可为工程实际提供参考。

1 试件设计

1.1 截面尺寸选取

根据《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)和《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99-2015),设计了一个跨度6 m、层高3.3 m的钢框架,如图2所示。参考相关文献,初取柱截面尺寸为H300 mm×300 mm×9 mm×14 mm,梁截面尺寸为H350 mm×180 mm×8 mm×10 mm。

运用结构计算软件SAP2000对上述钢框架进行受力分析,计算钢框架的整体稳定应力比,以此判断梁柱截面选取得是否合理。计算时,参数取值如下:抗震设防烈度为8度,楼面恒荷载5 kN/m2,活荷载2 kN/m2,应力比计算结果如图3所示。从图3中可以看出,钢梁及钢柱的应力比计算结果均小于1,说明梁柱截面符合要求。

图1 不同节点形式的钢框架

图2 钢框架示意

图3 应力比计算结果

图4 上焊下栓节点

1.2 模型几何参数

上焊下栓节点钢框架的几何参数如下:上焊下栓节点钢框架悬臂梁和中间梁截面尺寸均为H350 mm×180 mm×8 mm×10 mm,悬臂梁段长350 mm,柱截面尺寸为H300 mm×300 mm×9 mm×14 mm,下翼缘拼接板尺寸为420 mm×200 mm×12 mm,腹板拼接板尺寸为250 mm×170 mm×10 mm,焊缝形式采用三面角焊缝,焊脚高度为8 mm,螺栓孔为21.5mm,节点详图如图4所示,带悬臂梁普通栓焊节点钢框架的相关尺寸与上焊下栓节点钢框架一致。

2 有限元模型

2.1 有限元建模

选取图2中所示的KJ-1单榀单跨2层平面钢框架,采用ABAQUS软件建立C3D8I实体单元有限元模型。钢柱与钢梁、钢柱与柱肋、焊缝与钢材之间的约束类型均为“TIE”;考虑钢梁与螺栓帽及拼接板之间的摩擦,摩擦系数取0.4,不计螺栓杆与孔壁之间的摩擦,接触均设为面-面接触。钢材选用Q235B热轧H型钢,采用10.9级M20摩擦型高强螺栓,钢材本构采用三折线模型(图5(a)),螺栓、焊缝本构采用二折线模型(图5(b)),详细材料属性指标见表1。

图5 材料应力-应变关系

表1 材料属性

为兼顾有限元模拟的精确与效率,对距柱翼缘600 mm内包含拼接区的梁段进行精细化网格划分,螺栓网格尺寸为6 mm,悬臂梁、焊缝、下翼缘拼接板及腹板拼接板网格尺寸为12 mm,钢框架其余部分采用粗略网格划分,网格尺寸为36,60,80 mm,节点处网格划分情况如图6所示。钢框架的柱脚为完全固定约束,同时在框架梁两端及三等分点处设置x方向上的平动约束以及y,z方向上的转动约束来防止平面外弯曲,并将二层左侧梁柱交界处柱翼缘面耦合至一点,作为荷载施加点。

图6 节点处网格划分

2.2 加载制度

试件加载考虑工程实际加载顺序,先对高强度螺栓分4个分析步施加155 kN的螺栓预紧力,之后对二层左侧梁端耦合点施加水平位移荷载。对钢框架进行单调加载,得到荷载-位移曲线,并依据曲线确定CHF和WBF 2种钢框架的屈服位移Δy分别为42,46 mm。低周往复荷载加载方式为:首级荷载为0.25Δy,往后每级递增0.25Δy,循环1次;结构屈服后,荷载增量为Δy,循环2次,加载至7Δy为止。图7为2种钢框架的加载制度,位移加载方向为左负右正,表2为钢框架各级荷载对应的加载位移。

表2 各级荷载对应的加载位移

2.3 有限元验证

为了验证有限元模拟是否可靠,利用ABAQUS软件对文献[14]中试件TS-3进行有限元模拟,图8为试验与模拟的计算结果对比。从图8中可以看出,试验和有限元模拟在拼接区上翼缘有相同的屈曲现象,有限元模拟的滞回曲线相较于试验更加饱满,这是因为模拟时未考虑钢材制作和焊接时产生的的各种缺陷。总体来说,试验与有限元计算结果相符,表明本文有限元模拟比较可靠。

3 低周往复荷载分析

3.1 破坏模式分析

在低周往复荷载下,2种不同节点形式钢框架的应力发展云图分别如图9和图10所示,具体给出了钢框架加载位移达到Δy,3Δy,5Δy,7Δy的结构应力云图。

图9为CHF钢框架的应力发展过程。加载初期,梁拼接区上下翼缘及对接焊缝处应力较大;加载至Δy时,柱脚应力迅速增大,结构开始屈服,最大应力出现在钢框架一层右侧梁拼接区对接焊缝处;加载至3Δy时,对接焊缝处出现应力集中,应力从对接焊缝向左右两侧及腹板中心发展;加载至5Δy时,梁拼接区梁翼缘出现微小屈曲变形,初步形成塑性铰;加载到7Δy时,梁拼接区出现严重的塑性变形,结构破坏。由于CHF钢框架梁柱连接处焊缝提前在工厂中加工完成,焊缝质量较高,避免了梁柱连接处的脆性破坏。

图8 试验与有限元计算结果对比

图9 CHF钢框架的应力发展云图

图10为WBF钢框架的应力发展过程。加载初期,梁拼接区上下翼缘及对接焊缝处应力较大,随着荷载的增加,应力稳定增长;当加载至Δy时,结构开始屈服,梁柱连接处应力快速增长,梁拼接区对接焊缝附近出现应力集中,最大应力出现在一层左侧悬臂梁上翼缘处;当加载至3Δy时,悬臂梁整个梁段呈现出高应力状态,悬臂梁和中间梁段应力均从梁端向梁中部快速发展,此时尚未形成塑性铰;当加载至5Δy时,悬臂梁段出现塑性铰,梁拼接区板件开始滑移,最大应力出现在二层右侧拼接区;当加载至7Δy时,悬臂梁翼缘、腹板和翼缘拼接板出现严重的屈曲变形,结构破坏。通过对比可知,随着位移荷载的增加,WBF钢框架的塑性变形比CHF钢框架缓慢,在同级水平位移荷载下,WBF钢框架的塑性变形较小,表明WBF钢框架有着优于CHF钢框架的塑性变形能力。

图10 WBF钢框架的应力发展云图

3.2 滞回曲线分析

提取CHF和WBF钢框架加载点处的滞回曲线,如图11所示,由图可知,WBF钢框架的滞回曲线相较于CHF更为饱满,表明WBF钢框架的耗能能力优于CHF钢框架。在加载初期,2种钢框架的滞回曲线接近,当荷载加载至5Δy时,2种钢框架均达到极限承载力;随后CHF钢框架的承载力呈现出阶梯式下降,而WBF钢框架在加载至6Δy时承载力出现小幅度下降,之后便停止下降,这是由于上焊下栓节点钢框架在加载过程中翼缘拼接板出现滑移和变形,提高了钢框架的延性和耗能能力。

3.3 骨架曲线分析

CHF和WBF钢框架的骨架曲线如图12所示。可以看出,钢框架在达到屈服之前,骨架曲线基本一致且呈现出线性;钢框架屈服后,曲线出现分离并呈现出非线性。随着荷载的增加,CHF钢框架先达到极限承载力305.67 kN,随后WBF钢框架也达到极限承载力305.04 kN,极限承载力差距极小;随着荷载的增加,CHF钢框架的承载力开始明显下降,而WBF钢框架的承载力在小幅度下降后趋于稳定,表明上焊下栓节点钢框架在承载力几乎没有损失的情况下,其塑性变形能力和延性得到了一定的提高,这更加证明了其优秀的力学性能。

3.4 刚度退化分析

CHF和WBF钢框架的等效刚度变化曲线如图13所示。可以看出,CHF和WBF钢框架初始等效刚度分别为3.56,3.55 kN/m,初始刚度差异很小。在加载位移达到屈服位移之前,刚度曲线呈现出水平化,未出现刚度退化;随着位移的增加,刚度曲线开始下降,且2种钢框架的等效刚度退化速度基本一致;在加载的末期,WBF钢框架的等效刚度退化速度比CHF钢框架略慢,表明上焊下栓节点钢框架在后期的耗能能力得到增强。

3.5 耗能能力分析

滞回环面积的大小反映结构的耗能能力强弱,本文采用等效黏滞阻尼系数he来评价钢框架的耗能能力,he越大则钢框架耗能能力越强,抗震性能越好,计算公式见式(1),计算简图及结果如图14和表3所示。

图14 等效黏滞阻尼系数计算简图

(1)

从表3中可以发现,整个加载过程中,WBF钢框架的等效黏滞阻尼系数均大于CHF钢框架,表明其耗能能力强于CHF钢框架。加载位移达到5Δy之后,WBF钢框架的等效黏滞阻尼系数增长速度略慢于CHF钢框架,这是由于上焊下栓节点翼缘拼接板的滑移和变形所导致。总体来说,上焊下栓节点钢框架的耗能能力略强于带悬臂梁普通栓焊节点钢框架。

3.6 耗能机理分析

上焊下栓节点钢框架主要依靠梁拼接区进行耗能,下面以钢框架二层右侧翼缘拼接板为例,分析图15(a)中所示螺栓孔在不同正向加载位移下的孔径变化,从而分析其耗能机理,翼缘拼接板的应力发展过程如图15所示,具体数据如表4所示。

由图15和表4可知,当正向加载位移加载至138 mm之前,拼接板螺栓孔处主要是螺栓杆所产生的侧压力,孔径几乎没有变化。当加载至138 mm时,孔径压力大于拼接板与钢梁之间的摩擦力,导致梁下翼缘与拼接板间出现滑移,随后螺栓杆与孔壁之间的挤压作用使拼接板出现变形,有效提高了结构的耗能能力,此时耗能由翼缘拼接板的变形和滑移共同承担。当加载至230 mm时,孔径开始出现明显的增大,这将更有利于拼接板与梁之间的摩擦耗能。加载至276 mm时,拼接板出现较大的屈曲变形,塑性铰形成,孔径迅速扩大,板件滑移量达到峰值,耗能主要由板件的变形承担。加载至322 mm时,孔径增大了24.7%,孔径的大幅度增加有利于变形耗能,增强了结构的延性。

图15 不同加载位移下翼缘拼接板应力发展云图

表4 不同加载位移下翼缘拼接板螺栓孔径变化

4 参数分析

由上文可知,上焊下栓节点钢框架耗能能力的增强主要是由于翼缘拼接板滑移和变形。为了深入研究翼缘拼接板宽度和厚度对上焊下栓节点钢框架抗震性能的影响,设计了8个试件,试件轴压比取0.3,翼缘拼接板参数设置见表5,试件基本尺寸与上文一致。

表5 翼缘拼接板参数

4.1 滞回曲线分析

各试件的滞回曲线如图16所示。可以发现,当板厚不变时,不同板宽试件的滞回曲线均比较饱满,各试件滞回曲线差异不明显,说明板宽对试件滞回性能的影响不大。当板宽不变时,不同板厚试件的滞回曲线差距明显,其中TPSF-1和TPSF-2试件有一定的捏缩现象,这是由于试件的翼缘拼接板较薄,在加载后期出现较大的滑移和变形所导致。当板厚≤12 mm时,随着板厚的增加,试件的滞回曲线更加饱满;当板厚>12 mm时,试件的滞回曲线明显退化。由此可知,当翼缘拼接板厚度大于梁下翼缘厚度2 mm左右时,上焊下栓节点钢框架的滞回性能最好。

图16 试件的滞回曲线

4.2 骨架曲线分析

不同板宽试件的骨架曲线如图17(a)所示。可以看出,在加载至3Δy之前,各试件骨架曲线保持重合,随着位移荷载的增加,曲线开始分离,试件承载力随着板宽的增加有少许提高,但各曲线差距不大且发展趋势基本保持一致,说明板宽的改变对上焊下栓节点钢框架承载力和延性的影响不大。考虑到钢框架下翼缘与拼接板之间的焊接需求,建议翼缘拼接板宽度取值大于梁下翼缘宽度20～40 mm。

不同板厚试件的骨架曲线如图17(b)所示。由图17(b)可知,当板厚≤12 mm时,同级荷载下,随着板厚增加试件荷载依次增大;对比BASE试件和TPSF-3试件可知,当板厚>12 mm时,板厚的增加会使试件的承载力降低,且承载力退化速度也变得更快,这是由于在加载过程中梁拼接区上翼缘首先出现屈曲,拼接区板件滑移和变形不充分,导致其承载力快速下降。因此,当拼接板厚度大于梁下翼缘厚度2 mm左右时,上焊下栓节点钢框架具有更好的承载能力和延性。

图17 试件的骨架曲线

5 结论

1) 在低周往复荷载下,上焊下栓节点钢框架的梁拼接区下翼缘与拼接板先出现滑移,随后梁拼接区上下翼缘及翼缘拼接板有局部屈曲,最终由于悬臂梁发生严重塑性变形而破坏。整个加载过程中,钢框架前期利用拼接板与钢梁之间的摩擦进行耗能,后期主要利用梁拼接区板件的变形进行耗能。总体来说,上焊下栓节点有效地提高了钢框架整体的耗能能力和延性。

2) 带悬臂梁普通栓焊节点钢框架和上焊下栓节点钢框架的破坏模式相似,塑性铰均出现在悬臂梁上;对比带悬臂梁普通栓焊节点钢框架,上焊下栓节点钢框架施工方便,滞回曲线更为饱满、耗能能力更强、刚度退化更慢、延性更好,抗震性能更加优越。

3) 翼缘拼接板宽度的改变对上焊下栓节点钢框架的力学性能影响不大,考虑板件之间的焊接,建议翼缘拼接板宽度取值大于梁下翼缘宽度20～40 mm。随着翼缘拼接板厚度的增大,上焊下栓节点钢框架的滞回性能、承载能力、变形能力及延性显著提高,建议翼缘拼接板厚度取值大于梁下翼缘厚度2 mm左右,此时钢框架的力学性能达到最优。