2500字,《钢框架结构节点域分析简化模型》

摘要: 节点域起着传递梁柱之间力和弯矩的作用, 这样就使得节点域的应力状态非常复杂。本文通过分析我国规范中所采用的节点域力学模型,与实验结果对比分析表明,基于该节点域模型分析得到的钢框架整体抗震性能较为符合实际情况。

关键词: 节点域, 力学机理, 分析模型

一、引言

节点域是指柱腹板和翼缘与梁连接的区域, 由于节点域在结构中起到传递框架柱与框架梁之间相互弯矩的作用, 从而使得其应力应变状态较为复杂。地震作用下节点域的受力状态如图1所示。节点域对钢框架的抗震性能有着重要的影响, 分析中正确体现钢框架的实际抗震性能需要以合理的节点域分析模型为基础。

二、节点域抗震力学机理及其在规范中的体现.

在节点域抗震设计中, 其力学机理主要基于以下两点:

1) 通过研究表明, 在节点域中应变的分布是比较均匀的, 而不是抛物线分布, 假定在节点域的柱腹板上均匀分布。根据VonMises 屈服准则, 剪应力为:

假定有效的抗剪面积为0. 95detp , 如图1 所示, dc 为柱截面

高度, tp为柱腹板厚度。节点板域的塑性抗剪能力为:

式( 1) 中并没有考虑节点域进入屈服后, 柱翼缘对节点域的加强作用, 在一定程度上低估了节点域的抗剪强度。

2) 由于在钢框架的抗震设计中, 往往以层间变形起控制作用,因此对于节点域的设计起到控制作用的多为抗震能力设计要求。节点屈服承载能力被设计来完全承受框架梁完全塑性弯矩所产生的剪力,对于节点域的抗震承载能力要求过高。由于前述节点域抗震能力的低估和抗震需求的过高要求使得节点域的抗震设计较为保守。 

 Krawinkler( 1971 年) , Bertero( 1973 年) , Popov( 1987 年) 通过试验研究表明节点域在屈服后具有较高的强度储备, 较好的延性, 稳定的滞回圈和循环强化性能。为充分利用节点域的抗震滞回耗能能力, 针对节点域设计存在的问题, 分别对屈服承载能力和能力设计要求上进行了调整, 节点域的塑性抗剪能力考虑框架柱翼缘的加强作用:

式中参数意义见图1。在节点域能力设计中引入0. 8 调整系数,取节点域的塑性抗剪承载力为该节点梁的总塑性承载力的0. 8 倍,即在大震作用下, 节点域首先屈服, 然后才是梁出现塑性铰。目前我国抗震设计规范中钢框架结构节点域的设计采用的就是上述方法和思路。设计中起到控制作用的节点域的屈服承载力应符合下式：

其中, Mpb1, Mpb2分别为节点域两侧梁的全塑性受弯承载力;Vp 为节点域的体积; f v 为钢材的抗剪强度设计值; 􀀂为折减系数, 场地6 度和7 度时可取0. 6, 8 度, 9 度时取0. 7。式( 3) 主要综合参考了日本规范和美国规范, 在日本规范中框架节点域的极限承载力是根据梁柱的全截面塑性受弯承载力计算确定的, 在设计时忽略了剪力项同时不考虑轴力对节点域剪切的影响, 可写成:

与式( 1) 相对比, 即设计中节点域塑性承载力为:

式( 5) 右侧的1/ 3 综合考虑了忽略剪力项和节点域在周边构件的影响下承载能力的提高。在我国规范中引入了调整系数, 研究表明取节点域的塑性承载力为该节点梁的总塑性承载力的0. 7 倍是合适的。规范为了避免7 度时普遍加厚节点域, 在7 度时取0. 6。同国外规范相对比, 我国的调整系数皆不大于0. 8, 在一定意义上说明按照我国规范设计的钢框架结构, 在大震作用下节点域较早进入塑性, 节点域首先屈服, 然后是梁出现塑性铰。按照目前我国抗震设计规范的设计要求, 节点域要在梁产生塑性铰之前进入塑性变形, 其目的在于充分利用节点域的抗震滞回耗能性能, 但该设计思路同时也带来了一定的问题。通过节点域进行抗震耗能的同时, 节点域将产生较大的塑性剪切变形, 在较高的应力应变状态下易造成框架节点焊缝的脆性破坏, 并在北岭地震震害和SAC 研究中得到体现。新版的AISC 规范重新修订了节点域的设计原则, 取消了0. 8 倍的调整系数, 其设计理念类似于日本规范。然而, 目前我国抗震设计规范中钢框架节点域的设计方法并没有进行相应的调整, 仍然采用较多利用节点域塑性耗能的方法, 因此, 对于按照我国规范设计钢框架进行抗震性能分析时, 更应重视节点域的抗震性能分析, 在分析模型中考虑节点域模型。

三、节点域合理分析模型的建立。

节点域的分析模型需要正确反映节点域的实际受力变形情况。Krawinkler 通过实验分析总结出:

1) 节点域的塑性剪切承载能力包括柱腹板抗剪和节点域发生剪切变形时拐角处柱翼缘的弯曲变形而产生的抗力。

2)节点域的受力变形曲线为三折线,由两折线的柱腹板剪切变形曲线和柱翼缘剪切变形曲线叠加产生。见图2。图中弹性剪切刚度Ke 为:

K e 即为柱腹板的弹性剪切刚度, 式中G 为柱体材料的剪切模

量。当节点域柱腹板进入屈服后, 节点域拐角处柱翼缘的弯曲变形提供了附加的节点域剪切刚度。可得屈服后抗剪刚度K p 为：

式中参数意义参见图1, bc 为柱翼缘的宽度。硬化系数 取0. 03。

四、分析验证

前述分析中所引入的剪力--剪切变形三折线模型体现了节点域抗剪能力的实际情况, 即节点板域抗剪能力和柱翼缘抗剪能力的组合。采用此节点域分析模型不仅仅在于其力学合理性, 还在于以下原因: 首先, 节点域分析模型中剪切力􀀂 剪切变形关系被国内外抗震规范广泛采用, 并体现在相关条文中。我国抗震规范中关于节点域的设计规定以美、日规范为参考, 即说明我国规范中所采用的节点域力学模型与该分析模型的力学机理基本相同, 分析模型可以较好的反映规范的实际情况, 符合分析目的。再者, 在分析模型的具体实现上, 我国学者提出了通过纯梁柱的弹塑性单元刚度得到考虑节点区剪切变形影响的梁柱弹塑性单元刚度。从理论的角度, 该方法较为合理, 但在实际应用中缺乏计算程序支持, 本文所采用分析模型可以方便的应用于常用计算分析软件, 具有较好的适用性。根据已有试验数据, 采用前述节点域分析模型建立钢框架整体模型, 并作非线性时程计算。计算结果与实际试验结果对比表明, 分析结果可以较好的拟合试验结果, 分析模型较为合理。

五、结语

分析表明, 本文所提出的剪力--剪切变形三折线模型体现了节点域抗剪能力的实际情况, 即节点板域的抗剪能力和柱翼缘的抗剪能力组合, 合理体现了节点域的实际抗震力学机理。其符合我国规范中所采用的节点域力学模型, 且具有较好的分析可操作性。与试验结果对比证明基于该节点域模型分析得到的钢框架整体抗震性能较为符合实际情况。

参考文献：

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