方钢管混凝土柱——削弱钢梁端栓焊连接节点受力性能.pdf

第 3 1卷第 3 期 2 0 0 9年 6月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l ，Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g V o 1 3 1 No 3 J u n 2 0 0 9 方钢管混凝土柱 削弱钢梁端栓焊连接节点受力性能 周天华 ， 聂少锋 ( 1 长安大学 建筑工程 学院， 西安 7 1 0 0 6 1 ； 王秀梅 ， 郭军庆 2 北京中建建筑设计 院 六所， 北京 1 0 0 O 2 0 ) 摘 要 ： 采 用三 维 实体 单元 ， 对 “ 带 内隔板 的方钢 管 混凝 土柱一 削弱 梁 端钢 梁栓 焊连接 框 架 节点” 建 立 了考 虑几何 非线性 、 材 料非 线性和接 触非 线性的有 限元理 论分析 模 型 ， 将 有 限元模 型 与试验 模 型 进 行对 比分析 ， 规律 方 面吻合较好 ， 进 而对“ 框 架节点” 在 单调 和低 周反 复荷 载作 用 下的 受力性 能进 行 了数值分析， 深入研究 了其荷栽一 位移曲线、 节点区梁端的应 力分布规律、 耗能能力及破 坏特征。 研 究表 明 ： 各种 梁端 削弱 节点 P _ 曲线 的初 始 刚度 和 梁端无 削弱节点 的初始 刚度基 本相 同； 梁端 削 弱节点的承载力比梁端无削弱节点的承载力有所降低 ， 但 降低幅度不大； 梁端削弱节点均能够将塑 性铰外移致梁端削弱区域 ； 各种削弱形式的梁端削弱节点均表现 出良好的延性及耗能能力， 具有较 好 的抗震性 能 。 关键 词 ： 方钢管 混凝 土柱 ； 梁柱 节点 肖 4 弱 梁端 ； 有 限单元 法 中图分类号 ： T U3 7 8 文献标 志码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 0 9 ) 0 3 0 0 3 4 - 0 8 Me c h a n i c a l Be h a v i o r o f Bo l t - - we l d J o i nt s b e t we e n S q u a r e Co n c r e t e f i l l e d Tu b u l a r Co l u mn a n d Re d u c e d Be a m S e c t i o n ZHOU T i an h u a ，NI E Sh ao 。 f a n g ， ( 1 Sc ho o l of Ar c hi t e c t ur a l Eng i n e e r i n g，Cha ng a n Un i v e r s i t y， I n s t i t u t e B e i j i n g C o ，L t d，B e i j i n g 1 0 0 0 2 0，P RCh i n a ) WANG Xi u mei 。，GUO J u n q i n g Xi a n 71 0 06 1，P R Chi n a；2Chi na Ar c h i t e c t ur e De s i gn Ab s t r a c t ：W i t h t h e a c t u a l t hr e e d i m e ns i o n e l e m e nt ， t he n o nl i n e a r f i n i t e e l e m e nt a na l y t i c mo de l s we r e e s t a b l i s h e d f o r b o l t we l d i o i n t s b e t we e n s q u a r e c o n c r e t e f i l l e d t u b u l a r ( C FT)c o l u mn a n d r e d u c e d b e a m s e c t i o n wi t h i n ne r s e p a r a t e s ， c o ns i d e r i n g g e o me t r i c l a r ge de f o r ma t i o n， ma t e r i a l s n o nl i n e a r a n d c on t a c t n o n l i ne a r Co mpa r e d wi t h f i n i t e e l e me nt m o d e l a n d e xp e r i me nt a l mo d e l ， i t wa s i n g o o d a g r e e me n t i n D r i n c i P l e And t he c h a r a c t e r i s t i c s of l oa d d i s p l a c e me n t ( P_ )c u r v e s，t he s t r e s s e s d i s t r i bu t i on o f b e a m ，t h e d i S S i pa t i n g e n e r g y a b i l i t y a n d d e s t r u c t i o n f or m we r e ma d e wi t h n u m e r i c a l a na l ys i s f o r be a r i n g b e ha vi o r of b oI t we l d i 0 i n t s b e t we e n s q ua r e CFT c ol u m n a n d r e du c e d be a m s e c t i o n I t wa s s ho wn t ha t t he i n i t i a l s t i f f n e s s o f i o i n t wi t h r e d u c e d b e a m s e c t i o n wa s c l o s e t o t h a t o f n o n r e d u c e d b e a m s e c t i o n j o i n t Th e be a r i n g c a p a c i t i e s of o i n t s wi t h r e d uc e d be a m s e c t i o n we r e a 1 i t t l e bi t l o we r t ha n t ho s e o f n o n r e du c e d be a m s e c t i o n j o i n t Th e p l a s t i c h i n g e i n t h e j o i n t wi t h r e d u c e d b e a m s e c t i o n mo v e d t O t h e r e d u c e d b e a m r e g i o n The s t ud i e d o i nt s d i s p l a y e d a be t t e r du c t i l i t y，e ne r gy d i s s i pa t i o n a nd g o od s e i s mi c b e h a v i o r me t h od 带内隔板的矩形钢管混凝土柱与钢梁连接节点 为 矩 形 钢管 混凝 土 结 构技 术 规 程 ( C E C S 1 5 9 ： 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 2 1 5 基金项 目： 陕西省 自然科学基金资助项 目( 2 0 0 4 E 0 5 ) 作者简介 ： 周天华( 1 9 6 3) ， 男 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从事轻钢结构 、 组合结 构理论与工程应用研究 ， ( E ma i l ) z h o u t h l 6 3 1 6 3 c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 期 周天华， 等 ： 方钢管混凝土柱一 削弱钢梁端栓焊连接节点受力性能 3 5 2 0 0 4 ) 1 推 荐形 式 之 一 。 自美 国 N o r t h r i d g e和 日本 Ko b e地 震 以后 ， 美 国 F E MA( F e d e r a l E me r g e n c y Ma n a g e me n t Ag e n c y ) 等 研 究 机 构 进 行 的 大 量 试 验 研究表明： 通过梁翼缘的局部削弱 ， 迫使大震作用下 塑性 铰偏 离脆 弱 的节 点焊 缝 区 ， 出现 在 具 有 很 大 延 性 的 梁 上 ， 可 以 不 同 程 度 地 改 善 节 点 的 抗 震 性 能 。因此 ， 考 虑抗震 设计 时传 统 连 接方 式 的梁 柱 连 接处 梁 截 面 无 法 达 到 “ 等 强 ” 连 接 的 要 求 ， ( GB 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 建筑 抗震 设计 规 范 建议 在 8度 设 防 、 类场地 和 9度设 防 时 ， 柱 与钢 梁 的刚 性 连接 宜采 用“ 塑性铰 ” 外 移 的骨形连 接 。 已有研 究 的重 点 主要集 中在 削弱梁端 的纯钢框 架 节点 以及 考 虑混 凝 土楼 板作 用影 响上 ， 然而 ， 对 方钢 管 混凝 土 柱一 削 弱钢 梁端 节点 的研究 还 较少 。文 献 9 1 1 在 总结 相 关研究的基础上， 提出了几种削弱梁端 的构造方式， 有效 地增 强 了节 点 的延 性 和 耗 能 能 力 ， 而 且 对 节 点 的承 载力 影响较 小 。 该文 利用 ANS YS有 限元 程序 ， 建立 了同时考 虑几何非线性 、 材料非线性 和接触非线性的有限元 分析模型 ， 结合试验和有限元理论 1 ， 对方钢管 昆 凝 土柱- I 1 弱钢 梁 端 钢 粱栓 焊 连 接 框 架 节 点 在 单 调 荷载 和低 周反 复荷 载作用 下 的受力 性 能进 行 数值 分 析 ， 以研究 不 同梁 端 削 弱对 节 点 承 载 力 和 刚 度 的 影 响 以及 节点 核心 区和削弱 梁端 的应 力分 布 。 1 有 限元模 型 1 1 试 件选取 及 有限元 模型 的建 立 为方便 比较， 有限元分析试件基本尺寸选用文 献 1 2 中 J D - 3 A 节 点 试 验 足 尺 模 型 ， 钢 材 为 Q3 4 5 B， 管内混凝土设计标号为 C 4 0 ， 方钢管截面尺 寸均 为 5 0 0 2 5 mm， 梁截 面 尺寸 均为 5 0 0 2 5 0 8 1 6 mm， 内隔 板 厚 为 2 8 mm， 内隔 板 的大 孔 径 为 2 5 0 mm、 小 孔 径 为 2 5 mm， 连 接 板 为 1 9 03 5 0 8 mm， 螺栓规格 为 M2 7 ， 1 0 9级 摩擦 型高 强螺 栓 ； 试 件 连接形式为栓焊连接， 主要材性指标选取文献E l e 中 试验值。该文研究的钢梁梁端削弱形式见图 l 。 两 两 ( a )“ 狗 目 试 ”削弱 ( b )翼缘开 排 不同径 孔 ( t )腹板开 网孔 )粪缘歼I I f= -V I L 、 腹板开卿孔或长网孔 图 1 梁端 削弱节点类型 节点模型 的几何尺寸见 图 2 。模型采用三维实 试件有限元模型见图 3 。 体 建模方 法 ， 模 型建 立 时采用 如下 处理方 法 ： 1 ) 弹塑性本构模型 ： 采用 Vo n Mi s e s屈服条件 和运 动 强 化 准 则 ， 混 凝 土 采 用 弹 塑 性 本 构 模 型 和 w 1 l i a m Wa r n k e五参 数 破 坏 准 则 ； 2 ) 单 元 的 选 取 ： 远离 节点域 的梁 柱选 用 s o t i d 4 5单元 ， 形 状 复杂 的 节 点域 为 s o l i d 9 2 单 元 ， 管 内混凝 土用 s o l i d 6 5单 元 ， 高 强螺栓 连接 的 面面接触 对 中可将 与柱 壁 焊接 的小 牛 腿、 螺栓帽、 螺栓头 、 螺栓孔壁接触的面定义为 目标 面 ， 而 相应 的腹板 面 、 螺栓 帽接触 的钢 板 面 和螺 栓杆 表 面设 为接 触面 。 目标 面采 用 t a r g e t 1 7 0单 元 ， 接触 面采用 c o n t a c t 1 7 4单元 。高强螺栓 的预拉力可采用 预拉力 单 元 p r e t e n s i o n 1 7 9单 元 来 实 现 ； 3 ) 简 化 处 理 ： 该文模型节点域 的混凝土因内隔板的存在处 于 理想的三向受压状态 ， 外荷载作用下 钢管壁与混凝 土的滑移影响较其他钢管混凝土构件要小得多 ， 故 采用“ g l u e ” 命令将管内混凝 土与管壁和内隔板粘接 在一起 ， 忽略管壁与混凝 土问的相对滑移。建立 的 署 图 2 节点模型的几何尺寸 景 图 3部分 节点 有限元模 型 塞 二 二 菩 一 十l 罐 鹊皿 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 1卷 1 2 加载 与求解 研究的节点模型均为框架梁柱反弯点间的十字 形 节点 。节 点模型 的加 载及 变 形简 图见 图 4 。几 何 建 模时 ， 按 图 5所示进 行分块 。将柱 底部约 1 0 0 mm 长柱段定 义为 刚性 体 ( 如 E一 1 0 MP a ， 厂 一1 0 MP a ， 避免此处 因应力 集 中而先 出现 破坏 ) ， 柱 底 铰 接 ， 通过在 柱底截 面 中 间分 界线 上 施 加 三 向线 约 束 来 实现 ； 为 防 止侧 向失稳 ， 在梁 端 A 区上 下 翼 缘边 上 对称 四条线 段 “、 b上施 加 Z向约束 ； 为保 证 系 统 的稳 定 ， 在 柱顶施 加轴 力 时 ， 先 对 钢梁端 面 M 施 加 X 向水平 约束 ； 施加 柱 顶水 平 荷 载 P 时 ， 将 钢 梁 端面 M 上的 x 向约束改为 Y向约束 以保证水平 力作 用下 梁 端 沿 X 向 可 自 由移 动 ， 而 竖 向没 有 位 移 。柱顶轴力 N 以节 点 荷 载 的形 式 平 均 施 加 在 柱 顶 面 S上 的各单元节 点上 ； 柱 顶水平 荷 载 P 以位移 控制 加载 ， 加 载前先将 S面 上所 有节 点 的 X 向位 移 耦合在 一个 关键 点上 ， 施 加 的位 移 只需 加 在 此 关键 点 的 X 向上 即可 。求 解 时采 用 全 Ne wt o n R a p h s o n 增量迭代法 ， P C G 求解器 ( 预置条件共轭梯度求解 器 ) ， 程序运行 和收敛性 较好 。 R r 一 + P Lv l ! l l 6 一 吝 一J 图 4 加载及变形简图 图 5 模型分块示意 1 3有 限元模型 的验证 为了验证有限元模拟分析 的可靠性 ， 首先对文 献 1 2 中无 梁 端 削 弱 的 基 本试 件 J D 3 A 依 据 前 述 建 模方法 ， 建立三 维实体有 限元模 型进 行模 拟 分析 ， 行将数值模 拟结 果 与试 验 结 果进 行 比较分 析 ， 加 载 方式同文献 1 2 。有限元计算结果骨架曲线和试验 曲线 的对 比见 图 6 ， 试 验 与 有 限 元 模 型 梁端 的最 终 破坏特 征对 比见 图 7 。节点 域 内隔 板 和混凝 土 的破 坏特征及受力特点详见文献 9 ， 1 4 。 I J U 6 0 0 ： 一 4 0 0 。 0 2 0 O 一 | 1 ， d m T ， 0 0 0 5 0 5 0 l 一 2 。 试验结果 。 一一有限元结果 6 0 0 图 6 有 限元 分 析 与试 验 骨 架 曲线 的对 比 图 7试 验 与 有 限 元模 型 梁 端 破 坏 特征 比较 由图 6 知 ， 试验 曲线 与 有 限元 计 算 结 果 曲线 吻 合 较好 。有 限元 计 算 结果 的初 始 刚 度 、 屈 服荷 载 和 最大荷 载略高 于试验 值 ， 相差 均 在 8 以 内。由 图 7 知 ， 试验模 型与 有限元 模型 的破坏 特征 基本 相 同 ， 两 者均在梁端右侧上翼缘 和左侧下翼缘出现了局部鼓 屈 。综 上所述 ， 该 文 的有 限 元模 型 能 够 较 准确 地 反 映结构 的受力 状态 。从 而证 明 了该 文有 限元 分析 方 法 的正 确性 。在上述 梁端 削弱节点 模 型非 线性有 限 元 分析 的基础 上 ， 建立 了 1：1 尺 寸的有 限元 模 型进 行分析 ， 研究不 同梁 端 削弱 类 型及 不 同加 载 方式 下 方钢管 混凝土 柱一 削 弱钢 梁 端 栓焊 连 接 节 点 的受 力 性能 。各模型 参数见 表 1 。 表 1 有限元模型参数 2单调荷载下的数值分析 2 1 荷 载与位 移 ( ) 曲线 按照上述建模方法及求解过程 ， 对表 1中不同 梁端削弱 类型 的节点模 型 ( 1 C J 7 C J ) 进 行 单调 加 载的有限元模拟分析 ， 柱顶轴压力为 1 0 0 0 k N( 轴压 比为 0 0 5 6 ) ， 其柱顶 水平 P 曲线 见 图 8 ( a ) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 期 周天 华 ， 等 ： 方钢 管 混凝 土柱 削弱 钢 梁端栓 焊连接 节 点 受力性 能 3 7 由图 8 ( a ) 知 ， 7 C J节 点 和 1 C J节 点 的 P _ 曲 线基 本 重合 ， 5 C J和 6 C J节 点 的 P 一 曲线 基 本 重 合 ， 2 C J节 点 的 承 载 力 最低 ； 各 节 点 P _ 曲线 的初 始 刚度 基本相 同。梁端 削弱节 点 的承 载力 比梁端 无 削 弱节 点 的 承 载 力 有 所 降低 ， 但 降 低 幅 度 不 大 ， 其 0 2 0 4 0 6 0 8 O 1 0 0 l 2 0 1 4 0 l 6 0 A ln i n f al 中 ， 2 C J 7 C J节 点 的屈 服 荷 载 分 别 比梁 端无 削 弱 ( 1 C J ) 节点 的 降低 1 5 8 、 1 3 3 、 1 4 5 、 1 0 1 、 7 6 和 6 9 ， 其 柱顶最 大 位 移 时 ( 一 1 5 0 mm) 荷 载值 比 1 c J节 点 的分 别 降低 2 0 、 1 3 、 1 3 、 1 3 、 1 3 和 4 。 7 o 0 6 (m 5 O 0 主4 0 0 3 o 0 2 o 0 1 0 0 O 0 2 O 4 0 6 O 8 0 l o 0 l 2 O A n 1 ln f h1 图 8单 调 加 载 的 P - A 曲线 2 2梁端应 力分 布 分析梁端 应力 分布 的 目的是 为 了考察 梁 端 削弱 塑性 铰外移 的 效 果和 梁 根 部 应力 集 中降 低 的效 果 。 图 9为单 调荷 载下 各 模 型柱 顶 水 平 位 移 为 1 0 0 mm 时 的梁端 Vo n Mi s e s 应 力 云图 。 ( h ) R A1 ( i ) R A 2 (j ) R A 3( k ) R B1 图 9 单 调 加 载 下 各 模 型 的 梁 端 应 力分 布 图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 1 卷 由图 9各模 型的应 力云 图对 比分析 知 ， 模 型 1 C J由于梁端未 削弱 ， 最 大 应力 集 中在 梁 根部 ， 即梁翼 缘 根部与腹板 交接处 首先屈 服 ， 随 着荷 载 的增 加 ， 梁 翼缘 根部整 个截面渐 入塑性 ， 之后 塑性 区域 沿梁 、 腹 板 和柱壁 扩散 ， 随着 荷载 的继 续作 用 ， 梁 柱 的连接 板 也 进入塑性 ， 从而 导致节点破 坏 ； 而 其余 梁端 削弱 节 点 模型 的最大应 力 则 主要 分布 在 削 弱 区 ， 即 塑性 铰 被 人为地 “ 引导 ” 到 梁 截 面的 削 弱 区域 内 ， 截 面塑 性 分 析表 明， 梁端受力 大到一定 程度 时 ， 首 先在 距梁 端 3 0 mm处 开始屈 服 ， 随着 荷载 增加 ， 塑 性 区 向梁端 削 弱 区域扩散 ， 最后在 截面削 弱最大 处形 成塑 性铰 ， 导 致 节点破坏 ， 而此 时 梁柱 连 接板 和 内隔板 尚未 进 入 塑 性 ， 起 到 了保 护 梁端 的作 用 ； 模 型 5 C J 7 C J的 腹板 和翼缘 的屈 曲变形均较 明显 。 由图 1 0知 ， 各 模 型 在屈服荷 载时 ， 沿 梁 宽度 方 向具 有 相 同 的应 力 分 布规 律 ： 翼缘 中间应 力最大 ， 然后 向两侧 递减 。在 柱 顶 水平位移 为 1 0 0 mm 时 ， 梁 端 未削 弱节 点 1 C J在 梁 根部的应 力值 最 大 ， 其 它 梁端 削 弱 的各 节 点 应 力 最大值 比节 点 1 C J的 低 3 3 l 1 7 ； 各模 型 梁 端应力分 布规 律相似 。 由图 1 1 知 ， 各模 型在 屈服 荷 载时 ， 其 最大应 力基本 上 出现 在相 同位 置处 ( 最大 值 距梁 端 距 离 为 3 0 mm) 。在 柱 顶 水 平 位 移 为 1 0 0 mm 时 ， 梁 端 削 弱节 点 2 C J 6 C J的最 大应 力值 均 处于 削弱 区域 ， 而梁端 未 削弱节 点 1 C J的最 大应 力 值仍集 中在梁 根部 。节 点 3 C J与 4 C J均 为翼缘 开 翼缘 圆孔削弱 ， 与翼缘 “ 狗骨式 ” 削弱节 点 2 C J的应 力分 布规 律 相 同 ； 节 点 5 C J与 6 C J虽然 削弱 方 式 略有不同， 但两者的曲线基本重合 ， 说明腹板削弱形 式对框 架节点 模型 的影 响较小 ； 节 点 7 C J为 腹板 开 圆孔 削弱 ， 其 翼缘 未 削 弱 ， 其最 大 应 力 离 梁端 较 近 ， 削弱 效果较其 它削 弱形 式 差 。文 献 4 对腹 板 开 圆 孔和 长圆孔 的梁端全 焊接 削弱节点 进行 了有 限元 分 析研究 ， 其所 开 圆孔 直 径 均 大于 该 文节 点模 型 7 C J 的 圆孔 直径 ， 且 起到 了塑性 铰外移 的效 果 ， 因此可 以 认为 节 点 7 C J梁端 削 弱 效果 较 差是 由于 腹板 圆孑 L 直径 过小所至 。 梁宽 n I I 粱宽 n l ll i a ) 屈服衙载时 m) A ： 1 0 0 n l m时 图 l 0梁 根 部 沿 翼缘 宽 度 方 向 应 力 分布 f 粱宽 rm u (a ) 屈服荷载时 55 o 45 0 三3 5 0 2 5 0 l 5 0 l粥区域 0 10 0 2 0 0 3 0 0 4 O O 5 0 0 ) o 梁宽 ln ln b A=1 0 0mm时 图 1 1 梁根部沿梁长度方向应力分布 综上 所述 ， 对 钢梁端进 行一定 程度 的削 弱 ， 可 以 有 效地缓解 梁根 部 应力 集 中 的现 象 ， 使 梁 端 的最 大 应 力值 向梁 内侧 移 动 ， 从 而 避 免梁 端 在 较 大荷 载 作 用下 应力首 先达 到最大 而破坏 。 2 3削弱 区尺寸 的影 响 F E MA一 3 5 0 推 荐圆弧 形“ 狗骨 式 ” 节点 的 细部 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 周 天华 ， 等 ： 方钢 管混凝 土柱一 削弱钢 梁端 栓焊连 接 节点 受力性 能 3 9 尺 寸按如下 公式 确定 ： a 一( 0 50 75 ) b f ； b一( 0 6 50 8 5) hl ； C 0 2 5 b f ； R 一 ( 4 c + b ) 8 c ( 1 ) 式 中 ： h 为梁高 ； b 为梁 宽 。 表 1中各模 型 尺 寸 均 由式 ( 1 ) 计 算 确 定 。为 了 研究 削 弱 区 尺 寸 对 梁 端 受 力 性 能 的 影 响 ， 建 立 了 RA 和 RB两 个系列 模 型 ： RA 系列 以 4 C J节 点为 基 础 ， 削弱 区长 度 b 一3 7 0 mm 保 持 不 变 ， 仅 改 变 削 弱 端 至柱壁 的距离 a分别 为 1 2 5 ， 1 5 0和 1 8 5 mm， 建 立 模 型 R A1 ， RA 2和 R A3以研 究 a对 节 点性 能 的 影 响 ； R B系列 以 4 C J 节 点为基 础 ， 仅 改变 削 弱 区域 长 度 b 分别 为 3 3 0和 4 1 0 mm， 建 立模 型 R B 1和 R B 2 ， 以研 究削 弱 区域 长度 b对节 点 性能 的影 响 。其 柱 顶 水平 P _ 曲线见 图 8 ( b ) 。削 弱 区 尺 寸 对 梁应 力 分 0 l O O 2 f n 3 00 4 1 3 0 50 0 6 0O 粱宽， n ll T l ( a ) 沿 梁长度方向 布 的影 响见 图 1 2 。 由图 8 ( b ) 和 图 1 2知 ： 在 单调 荷 载 作用 下 ， 各 模 型 P _ 曲线变 化趋 势基 本相 同 。R A 系列 的 3条 曲 线在 弹性 阶 段 完 全 重 合 ， 具 有 相 同 的 刚 度 。距 离 a 越小 ， 节点 屈 服荷载 及极 限承 载力 相对 越 小 ， 但 是 相 差非 常小 。模 型 的最 大 应 力 点 均 处 于 削 弱 区域 ， 且 相 差非 常小 ， 仅 在 1 以 内 ， 表 明 n对 节 点承 载力 的 影 响不 大 。最大应 力点 到梁 端 的距离 随 着 a的减 小 而减 小 。参 数 a最 大 的节 点 R A3在 梁宽 度 方 向的 中点处应力最大 ， 但亦小于 3 4 5 MP a ， 即梁端未屈服 而削弱区域进入弹塑性阶段 ， 起到保护节点的作用 ； R B系列的 P _ 曲线几乎完 全重合。综上所述 ， 在 F E MA一 3 5 0推荐 公式 ( 1 ) 取 值 范 围内 ， 参 数 a和 b对 节点 受力 性 能的影 响不 大 。 i f 日 ， 15 0 - -一RA2 l 0o RA3 0 一 RB1 一RB2 一l 5 0 一 l0 0 5 0 O 5 o 1 o 0 1 5 梁宽 m i ll ( a ) 沿梁宽度方 向 图 l 2 削弱区尺寸对梁 根部 应力分布的影响( =1 0 0 mm时 ) 3 低 周反复荷载 下的数值分析 对 表 1中 3 C D6 C D 4个节 点 ， 根 据 柱 轴压 比 不同， 分 A、 B两组 ， 其轴压 比分别 为 0 0 5 6和0 5 6 ( 柱顶 轴压 力分 别 为 1 0 0 0 k N 和 1 0 0 0 0 k N) ， 分 别 进行低周反复荷载作用下的非线性有限元分析以考 察其抗震性能。分析时模型的尺寸、 材性 、 加载规律 和约束 方式 完全 同文 献 1 2 1 ， 分 析 得 到各 模 型 的荷 d n “ ( a ) 3 C - D - A ( 轴I l i, ff a 0 0 5 6 ) 载一 位移滞 回曲线见图 1 3 ， 各模型骨架曲线见图 1 4 。 由图 1 3 知 ， 各种 梁端 削弱 形式 节点 模 型 的滞 回 曲线 均非 常饱 满 ， 直 观 地 反 映 出梁 端 削 弱 的 方 钢 管 混凝 土柱一 栓焊 连 接 钢 梁 框架 节 点 具 有 良好 的 塑性 性 能 和滞 回耗 能 能 力 。对 于 轴 压 比 为 0 0 5 6的 A 系列 ， P _ 曲线具有 明显 的硬 化 阶段 ； 而 对 于轴 压 比 为 0 5 6的 B系列 ， 荷 载 刚 达 到最 大 ， 滞 回环 曲线 就 出现了下降趋势， 但滞回环仍很丰满 。 J 4 0 0 2 删 f n 1 1 1 1 1 2 ( b ) 3 C D B ( 轴压 比O 5 6 ) ， i l l r l l ( c ) 4 c - D A ( 轴压比 0 0 5 6 ) I i i i n ( d ) 4 C D B ( 轴压比 O 5 6 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 0 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 1卷 n l l l l ( e ) S C D A( 轴压比0 0 5 6 ) d h i l l rai n ( t) s c D B ( 轴压比 O 5 6 ) ( g ) 6 C - D- A ( 轴压比 O O 5 6 ) 图 1 3 低周 反复加载模型的 滞回曲线 号一 4 ( 、_ DA 矗 一 5 ( I - D A 6 O O 6 ( DA ， 3 ( D B 4 O O 寺一 4 ( ： 一 I ) B +一 5 ( _ D B 2 0 0 6 1_ D B i5 0 1 0 0 5 0 l 5 0 1 0 0 1 一 2 图 1 4模型的 t 4骨架曲线 对于 图 1 4所示 的 P _ 骨架 曲线 ， 利用 文献 1 2 处理试 验 曲线 的方法 来 确定 其 屈 服点 ； 试 件 的破 坏 荷载 ， 一 般定 义 为 P 一0 8 5 P 一 ， 相 应 点 的 位移 为有效极 限位移 _ ； P 为模 型 柱顶 水 平荷 载 最 大 值 ， 相应 的柱 顶最 大 位 移 为 。按 上 述方 法 得 到 各 节点 的理 论 屈 服 点 、 破 坏 点 、 层 间位 移 延 性 系 数 、等效粘 滞阻尼 系数 h 和 能量 耗散 系数 一 等 指 标 列于表 2 。 表 2 各节点模型抗震性能指标 3 c I ) _ A 5 0 0 2 4 4 8 5 7 l 0 3 4 2 5 0 4 4 2 7 4 4 C f )A 4 9 8 3 2 7 4 7 6 1 O 4 3 8 O 4 2 2 6 6 5 C - A 5 2 1 5 2 7 5 0 3 2 1 o 0 3 6 6 0 4 3 2 6 7 6 C I ) _ A 5 1 3 7 2 7 5 o 3 9 l Ol 3 6 8 O 4 2 2 6 2 3 C B 4l 1 3 2 0 3 8 4 4 6 l 3 0 1 0 4l 2 5 8 4 C I ) t B 4 0 8 2 2 1 3 5 2 9 7 3 3 4 6 0 4 3 2 6 9 5 C B 41 0 2 5 4 0 7 3 61 2 4 5 0 4 1 2 5 6 6 C B zl 3 5 2 2 3 3 8 9 8 6 1 2 6 7 0 4 0 2 5 1 由表 2可知 ， 各节 点 模 型 的层 间 位 移延 性 系 数 d1 1 1 1 1 3 ( h ) 6 C - D B ( 轴压比 O 5 6 ) 一 2 4 5 4 2 5 ； 延性 系数是 反 映结 构塑 性变 形能 力 和 衡量抗震 性 能 的重 要 指标 ， 对 混 凝 土结 构 一 般 要 求 层 间位 移延性 系数 不小于 2 1 。节 点 的能量耗 散 系数 E一 2 5 1 2 7 4 ； 等 效 粘 滞 阻 尼 系 数 h = = = 0 4 0 0 4 4 ， 而 钢筋 混 凝 土节 点 的等 效 粘滞 阻 尼 系 数 为 0 1左右 ， 型 钢混 凝 土 节点 的等 效 粘滞 阻 尼 系 数 为 O 3左 右 l 】 ， 可 见 方 钢 管混 凝 土 柱一 削 弱 梁 端 栓 焊连 接节点 的耗能 能力 比混凝 土节 点 的高 3 倍 以 上 ， 且不 小于 型钢 混 凝 土 节点 的耗 能 能力 。说 明该 文 “ 框架 节点 ” 具 有较 好 的抗 震性能 。 4 结 论 建 立 了同时考 虑 几 何 非线 性 、 材 料 非 线性 和接 触非线性 的有 限元分 析 模 型 ， 可 以较 为 精 确地 分 析 带 内隔板 的方 钢 管混 凝 土柱一 削弱 钢 梁 端 栓焊 连 接 框架节 点 的受力性能 ， 通过 分析 ， 可得 到如下结 论 ： 1 ) 各种 梁端削 弱节点模 型 P - 曲线 的初 始刚度 和梁端 无削 弱节点 的初始 刚度基 本相 同 。梁端 削弱 节点 的承 载 力 比梁 端 无 削 弱 节 点 的承 载 力 有 所 降 低， 但降低幅度不大。梁端削弱节点均能够将 塑性 铰外 移致梁 端削弱 区域 ， 达到保 护梁端 的 目的 。 2 ) 按 照 F E MA一 3 5 0推 荐 公 式 进 行 梁 端 削 弱 截 面尺 寸设计 ， 在公式 取值 范围 内 ， 参数 a和 b对 节 点 受力性 能 的影响不 大 。 3 ) 低周 反复 荷 载作 用 下 ， 各 节 点模 型 的滞 回 曲 线均 非常饱 满 ， 各 节 点模 型 的层 问位 移 延 性 系 数 一 2 4 5 4 2 5 ， 节 点 的等 效 粘滞 阻 尼 系数 h 一0 4 0 0 4 4 能 量 耗 散 系数 E一2 5 1 2 7 4 ， 表 明本 文 “ 框架 节点 ” 均具有较 好 的抗 震性 能 。 4 ) 翼缘开孔节点和圆弧形节点梁端削弱塑性铰 外移 效果相 当 ， 且 钻 孔 与 圆 弧切 割 相 比， 工 艺简 单 ， 易于操作； 翼缘腹板同时开孔节点， 塑性铰外移效果 虽没有 圆弧 形节 点好 ， 但腹 板 开孔 可 以减 少 梁 根部 应力集中， 开孔还有利于管线穿越， 具有工程实际意 义 。因此翼 缘开孔 和翼缘 腹板 同时开 孔 的削弱 方式 值得推广。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 期 周天华， 等： 方钢 管混凝土柱 削弱钢梁端栓焊连接节点受力性能 参考 文献 ： 1 C E C S 1 5 9 ： 2 0 0 4矩形钢管混凝土结构技术规程 s 2F E MA 3 5 0 R e c o mme n d e d S e i s mi c D e s i g n C r i t e r i a f o r N e w S t e e l Mo me n t F r a me B u i l d i n g s S 2 0 0 0 3E G( ) R P P ，T z ( ) N Gs Hu( ) H Y，S HI HP O C D e s i g n o f s t e e l M RF c on ne c t i o ns be f o r e a nd a f t e r 1 99 4 n o r t h r i d g e e a r t h q u a k e L J E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ， 1 99 8，2 0( 12)：1 03 0 一 l 03 8 r 4 CHI A M1 NG U， QI S ONG Y， S HANE N， e t a 1 Cy c l i c t e s t i ng of s t e e l mome n t c on ne c t i o ns r e h a bi l i t a t e d wi t h R B S o r we l d e d h a u n c h J J o u r n a l o f S t r u c t u r a l En gi ne e r i ng，2 00 0，1 2 6( 1)：57 68 5 G B 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1建筑抗震设 计规范 I s 6 J A ME S M R， Z HAN