梁柱弱轴刚性连接抗震性能分析

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1、第七届全国现代结构工程学术研讨会梁柱弱轴刚性连接抗震性能分析王秀丽唐树昆李琼虞崇钢王本科兰州理工大学土木工程学院，兰州730050)摘要：根据钢框架强柱弱粱的抗震设计原则，对粱与柱弱轴方向刚性节点提出几种全焊接的连接形式，利用有限元的方法对节点的受力情况、滞回性能、节点破坏形式进行了对比分析，并提出连接方式的改善意见使其可以很好的做到强节点弱秆件的设计原则，从而降低了节点处焊缝的脆性破坏的可能性，将塑性铰顺利地外移，改善了节点延性，提高抗震性能。关键词：弱轴．翼缘，焊缝，延性一、引言在钢结构框架建筑中双向连接节点基本分为以下两种：

2、l、单向刚接，即柱强轴方向刚接，弱轴方向铰接后加斜向支撑；2、取向刚接，即柱强轴弱轴方向均刚接⋯。在多层钢结构框架建筑中，由于斜向支撑在一定程度上会影响使用，所以多采用双向刚接的连接节点。强轴方向刚接节点在地震荷载作用下的研究比较成熟，而对了二柱弱轴方向相对来说有些滞后“】。所以本文根据弱轴方向刚性连接形式的特殊性和受力复杂性，依据强柱弱粱、强节点弱干件的设计原则，提出三种连接形式，采用ANsYs力学软件建立力学模型，对此三种连接方法进行比较，并验证哪种方法受力性能更好，更能达到塑性铰外移的目的．缓解应力集中，并保护节点处在地震作

3、用下不发生脆性破坏。二、有限元分析模型(一)分析模型基本参数·模型设计成“T’’形，加劲肋和连接板厚度同粱翼缘脚，试件相关尺寸见表2．1，梁与柱的连接形式见图2．1。模型选用的钢材为Q235B，材料采用三折线模型，见表2．2。。’表2．1模型尺寸试件翼缘宽度翼缘厚度腹板高度腹板厚度长度fmm)(mm)(珊皿)(mm)粱150835061220柱250。1222081800鹭(鄄对虱工业建筑2007增刊LJlu21u3图：2．1节点连接方式1433第七届全国现代结构工程学术研讨会表2．2材料模型l＼雌能仃。(Mpa)‘吒(Mpa)&

4、吒(Mpa)矗卜吣Q235B钢2350．001144150．153400．2l(二)单元选取、边界条件及加载方式在ANsYs有限元计算软件中使用三维实体单元sOuD45建立模型，其采用自由划分单元的方法来进行单元划分．如图2．2。边界条件为：柱脚处实施固结。柱顶处使其可以在竖向自由移动。根据《建筑抗震试验方法规程》0BJl01—96的要求在梁端以位移的方式施加往复荷载，如图2．3。在施加荷载过程中没有考虑柱轴向荷载。‘UlU2U3图2．2单元划分围2．3加载方式三、有限元分析结果(一)弹性阶段的分析在梁端施加大小为10IrIm的位

5、移荷载时对梁受拉翼缘外表面中线沿梁轴线方向、粱受拉翼缘连接板与柱翼缘边缘相接处外表面垂直梁轴线方向、粱受拉翼缘截面变化处外表面垂直粱轴线方向的Von．Mis∞应力进行比较。’图3．1可以看出三个试件的高应力区基本上都集中于从柱翼缘边缘到距柱翼缘边缘450IIlm处，高应力区长度约为320mm，最高应力均为235MPa．只是u1的高应力区要比u3和u2远离柱翼缘。图3．1粱翼缘沿长度方向的应力分布图32连接板粱宽方向应力分布图3．2为粱翼缘连接扳上表面与柱翼缘相交位置沿梁宽度方向上的应力分布，从图中可以看出·U3在连接板和柱翼缘相接

6、处的应力最小．而且在向内35Im宽的范围内的应力要比ul和u2小得多·从这可以看出，弧形的连接板的减小应力集中现象的能力要强于前两种。1434工业建筑2007增刊∞∞∞∞萋}}““吲、第七届全国现代结构工程学术研讨会三个试件粱翼缘截面变化的位置是不同的，LJl为距柱翼缘边缘100咖m处，u2为柱翼缘边缘处，U3为距柱翼缘边缘35mm处(R=35mm)。因为截面变化处是应力集中比较严重的部位，这里只对截面变化处的应力集中现象进行分析。从图3．3中可以看到u1和u3的等效应力没有太大的差别，只是u2的应力小于以上两个。另外，由于u2截

7、面变化处是柱翼缘边缘处，所以应力比较复杂。图3．3粱翼缘宽度方向应力分布，无论是截面变化处还是连接板与柱翼缘相接处，都是由焊缝来完成连接的，焊接缺陷会造成在荷载作用下所产生的裂缝扩展，从而引起脆性破坏。减少节点的焊接缺陷是减少应力集中的重要措施，所以在施工过程中一定要注意焊缝质量。(二)塑性阶段的分析模型进入塑性阶段，图3．4为节点荷载一位移曲线。从图线可以看出u1和u3的承载力差别不大。而LB比前两者略低．在外荷载作用下，若构件的某一截面或某些截面的单元应力同时达到下降段．截面形成“塑性铰“⋯。图3，5显示的是端部位移荷载加到破

8、坏时沿梁长度方向的应力，从柱翼缘边缘向外500rm的位置应力很大。另外图36可以看出此位置即出现塑性铰。u2的高应力面积最大，而Ul的塑性铰距柱翼缘最远，而且应力分布比较均匀。图3．4节点荷载—位移曲线图3．5粱翼缘沿长度方向应力分布工业建筑200