斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)空間相貫焊接節(jié)點(diǎn)滯回性能的數(shù)值分析
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包樹(shù)龍 李麗平 童冰強(qiáng)
（長(zhǎng)安大學(xué)，西安710064）
摘要：利用ABAQUS有限元軟件對(duì)斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中空間相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，研究其在低周往復(fù)荷載下的延性、剛度退化、強(qiáng)度退化、耗能能力等性能，并通過(guò)分別改變斜交角度、豎向拉板厚度、橫向連接板厚度、鋼管半徑與厚度之比（徑厚比）等參數(shù)，分析其對(duì)節(jié)點(diǎn)滯回性能的影響。結(jié)果表明，此空間相貫焊接節(jié)點(diǎn)的延性和耗能能力良好，剛度退化和強(qiáng)度退化不明顯。對(duì)抗震性能影響最大的因素是斜交角度，其次是鋼管徑厚比，影響最小的是豎向拉板
厚度和橫向分隔板厚度。
關(guān)鍵詞：斜交網(wǎng)格；空間相貫節(jié)點(diǎn)；滯回性能；有限元
DOI:10.13206/j. gjg201606012
斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)將豎向承重與抗側(cè)力結(jié)構(gòu)合二為一，是充分發(fā)掘結(jié)構(gòu)空間作用潛力的一種高效結(jié)構(gòu)體系，近幾年越來(lái)越多地被應(yīng)用到實(shí)際建筑中。但由于斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)處有包括4根斜柱在內(nèi)的至少6根結(jié)構(gòu)構(gòu)件相匯，節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計(jì)與力學(xué)性能成為斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)能否廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐的關(guān)鍵問(wèn)題。目前，對(duì)空間相貫節(jié)點(diǎn)的靜力性能研究較多，但對(duì)其滯回性能的研究接近空白。
本文所研究的空間相貫焊接節(jié)點(diǎn)采用方小丹提出的廣州西塔中某節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，并采用李慶鋼等提出的空間相貫焊接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造方式，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖1所示。其中，鋼管直徑為299 mm，鋼管壁厚為15 mm，豎向拉板和橫向分隔板的厚度為30 mm，斜交角度θ為200。
1 有限元模型建立
利用ABAQUS有限元軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，鋼管采用殼單元S4R，鋼材彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，采用三折線(xiàn)本構(gòu)關(guān)系。為減少應(yīng)力集中，在加載端設(shè)端板，端板彈性模量為1 x1018Pa,泊松比為0. 001。斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中斜柱主要承受軸力，結(jié)合Young-Ju Kim提出的擬靜力加載制度，確定節(jié)點(diǎn)的邊界條件如圖2所示，加載制度如圖3所示。在加循環(huán)荷載之前，給模型施加單調(diào)遞增荷載，得出節(jié)點(diǎn)荷載一位移曲線(xiàn)，從而得出節(jié)點(diǎn)屈服位移△y（△y為4 mm）。各模型的參數(shù)如表1所示。
2結(jié)果分析
2.1 延性
極限位移與屈服位移的比值稱(chēng)之為延性系數(shù)。根據(jù)Park法，取剛度為實(shí)際結(jié)構(gòu)在75%極限強(qiáng)度處割線(xiàn)剛度的等效彈塑性系統(tǒng)的屈服位移，對(duì)于極限位移，取承載力下降到最大值的85%時(shí)的位移為極限位移。圖4所示為各模型的骨架曲線(xiàn)。根據(jù)以上定義可以得到各模型的延性系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表2和表3所示。模型8和模型9負(fù)方向加載時(shí)沒(méi)有達(dá)到承載力下降段，表中未列出其極限荷載、極限位移和延性系數(shù)。承載力下降未達(dá)到85%的模型，其極限承載力和極限位移取其加載結(jié)束時(shí)的數(shù)值。
由表2、表3可見(jiàn)，模型9正方向的延性系數(shù)最大，模型8正方向的次之，模型3-模型6的延性系數(shù)一樣，且最小。
2.2 強(qiáng)度退化
在位移幅值不變的條件下，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承載力隨荷載反復(fù)循環(huán)次數(shù)的增加而降低的特性稱(chēng)為強(qiáng)度退化。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的強(qiáng)度退化可以用第i循環(huán)強(qiáng)度退化系數(shù)來(lái)衡量，其表達(dá)式為：
由圖5可知，模型的前3級(jí)位移荷載作用下沒(méi)有退化，之后λ2隨加載位移的增加而降低。模型2的強(qiáng)度退化最大，λ2最小值達(dá)到0. 97。模型3-模型9都是在最后兩級(jí)荷載作用下才有強(qiáng)度退化，且λ2值都是0. 99。其中模型3-模型5的退化趨勢(shì)完全一樣。
2.3割線(xiàn)剛度退化
結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在同一位移控制點(diǎn)下不同循環(huán)周次之間的剛度退化可以用割線(xiàn)剛度K i來(lái)表示：
圖6為模型1、模型8、模型9在第1、第2周循環(huán)荷載下的割線(xiàn)剛度曲線(xiàn)�？芍髂Ｐ偷母髦芗虞d循環(huán)的割線(xiàn)剛度均隨加載位移的增大而不斷降低，且下降趨勢(shì)都一樣，最后都趨于穩(wěn)定。在同一級(jí)位移荷載下，模型第1、第2周循環(huán)之間的剛度變化很小。說(shuō)明剛度退化主要還是取決于反復(fù)加載位移幅值的大小。
2.4環(huán)線(xiàn)剛度退化
結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在不同位移控制點(diǎn)下的剛度退化可用環(huán)線(xiàn)剛度K j表示：
圖7為模型1-模型9的環(huán)線(xiàn)剛度曲線(xiàn)。
由圖7可知，所有模型的環(huán)線(xiàn)剛度隨加載位移的增大而逐漸降低，且下降趨勢(shì)都是前期快后期趨于平緩。模型3-模型5的剛度下降走勢(shì)基本一樣。
2.5 能量耗散能力
地震時(shí)，結(jié)構(gòu)處于地震能量場(chǎng)內(nèi)，地震將能量輸入結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)有一個(gè)能量吸收和耗散的持續(xù)過(guò)程。當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)時(shí)，其抗震性能主要取決于構(gòu)件耗能的能力。滯回曲線(xiàn)中加荷階段荷載一位移曲線(xiàn)下所包圍的面積可以反映結(jié)構(gòu)吸收能量的大��；而卸荷時(shí)的曲線(xiàn)與加載曲線(xiàn)所包圍的面積即為耗散的能量。表4所示是各模型的滯回耗能，其中歸一化滯回耗能是用模型屈服荷載與最后一周加載循環(huán)的峰值位移之積對(duì)總滯回耗能的無(wú)量綱化。
由表4可以看出，模型5、模型6、模型7的歸一化耗能能力最強(qiáng)，模型2、模型3、模型8、模型9次之，模型1最小。
由對(duì)等效黏滯阻尼系數(shù)亭。的定義，求出各模型的等效黏滯阻尼系數(shù)，如圖8所示。
由圖8可知，除模型9在第5級(jí)位移荷載處有下降外，各模型的等效黏滯阻尼系數(shù)隨加載位移的增大而增大，且變化范圍都在0. 25~0.55。各模型在前兩級(jí)加載時(shí)的等效黏滯阻尼系數(shù)增長(zhǎng)較快，后4級(jí)加載時(shí)，增長(zhǎng)趨于平緩。
3 結(jié)束語(yǔ)
1)斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中空間相貫焊接節(jié)點(diǎn)在前3級(jí)低周往復(fù)位移荷載作用下的滯回環(huán)是弓形，在后3級(jí)位移荷載下的滯回環(huán)是梭形。說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)具有較好的延性和耗能能力。所有模型的骨架曲線(xiàn)在達(dá)到最大承載力后緩慢下降，呈延性破壞，且各模型的延性系數(shù)均大于2.8，強(qiáng)度退化系數(shù)均大于0. 98，剛度退化呈下凹型，且都趨于平緩，歸一化總滯回耗能均大于12。
2)斜交角度對(duì)節(jié)點(diǎn)的延性影響最大，鋼管徑厚比次之，豎向拉板和橫向分隔板厚度影響最小，且斜交角度在500時(shí)，延性最大。
3)斜交角度對(duì)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度退化和剛度退化影響最大，鋼管徑厚比次之，豎向拉板和橫向分隔板厚度影響最小。當(dāng)斜交角度為200時(shí)，剛度退化和強(qiáng)度退化最大；斜交角度為360時(shí)，剛度和強(qiáng)度基本沒(méi)退化。強(qiáng)度和剛度退化隨徑厚比、豎向拉板厚度、橫向分隔板的厚度的增大而降低，但變化趨勢(shì)不明顯。
4)斜交角度和鋼管徑厚比對(duì)歸一化總滯回耗能的影響最大，豎向拉板厚度和橫向分隔板厚度次之。且當(dāng)斜交角度為200時(shí)，歸一化總滯回耗能最大。歸一化總滯回耗能隨徑厚比的減小、豎向拉板厚度、橫向分割板的增大而增大。
