屈曲约束支撑与混凝土框架梁连接节点的开发和有限元分析.docx
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屈曲约束支撑与混凝土框架梁连接节点的开发和有限元分析
屈曲约束支撑与混凝土框架梁连接节点的开发和有限元分析*
摘要:
屈曲约束支撑在建筑抗震中表现出优秀的耗能能力,在世界上得到广泛的开发和应用。
国内大部分建筑为混凝土框架结构,屈曲约束支撑应用于混凝土框架结构时,由于连接节点较为复杂,需要对节点形式的可靠性进行研究和认证。
考虑到H型钢自身刚度大、端部面积大等特性,设计出一种新型H型钢锚固连接节点,同时列举出另外两种衍生和改进的形式,分别为H型钢竖放、H型钢横放、H型钢横放锚板加长。
利用ABAQUS有限元分析软件对其受力性能进行分析,在加载点进行单调位移加载,分别得到3种节点形式在受力情况下的位移-荷载曲线,证明3种新型节点的可靠性,以及彼此的性能差异。
通过比较,发现3种节点形式的承载能力和受力性能依次提高,原因是H型钢在腹板方向刚度大,横放会增大加载面刚度;另外,加长锚板可以有效避免受压区混凝土过早出现应力集中。
最后通过比较节点延性,总结出最实用的节点形式。
关键词:
屈曲约束支撑;混凝土框架;节点形式
地震灾害对人类造成无可挽回的损失,近年来发生的鲁甸地震、汶川地震、海地地震、印尼地震等,让人们的生命安全遭受到严重的威胁[1-4]。
为了减轻地震带来的灾害,世界各国都在进行建筑抗震方面的研究。
支撑体系自日本开发应用之后,其优越的抗震性能得到了世界的广泛认可[5]。
早期发明的杠杆支撑、墙板支撑等支撑体系,可对框架建筑进行加固。
后来经过不断深入的研究,逐渐认识到可以通过约束支撑的横向变形,达到避免支撑弯曲的状况,于是产生了“屈曲约束支撑”这一结构形式。
屈曲约束支撑是一种新兴的结构抗震构件,不但保持了原始支撑的方式,同时又增加了屈服而不屈曲的受力特性。
近年来,屈曲约束支撑体系在结构抗震领域表现出优秀的耗能能力,美国、日本、台湾等国家和地区对这种体系进行了广泛的研究和应用[6-10]。
在发展中国家,混凝土框架结构广泛存在,其抗震性能较差,震后修复困难,抗震性能有待提高。
如今屈曲约束支撑大多使用在钢结构建筑中,其构造简单,操作方便;但在混凝土框架结构中,由于屈曲约束支撑与其连接节点相对复杂,应用较少,主要是已有建筑的加固[11-15]。
为了提高钢筋混凝土框架的抗震性能,屈曲约束支撑与混凝土框架节点的研究显得十分重要。
目前科研领域已开发研制出很多种新型节点形式,如上海蓝科建筑减震科技有限公司设计研发的屈曲约束支撑与混凝土梁柱锚固节点,通过H型钢腹板镂空,埋设在混凝土中传导轴力[16]。
北京工业大学实验室完成了对锚筋锚固形式的BRB混凝土框架节点的试验,发现锚筋锚固的节点能够有效地传递轴力,锚固效果十分优秀[17]。
沈阳建筑大学李帼昌教授团队设计研发的BRB混凝土梁T型钢及L型钢锚固连接节点,在加载中表现出优秀的抗震减震效果[18]。
意大利那不勒斯大学进行的混凝土框架加固试验,通过安装屈曲约束支撑体系改变框架的抗震性能,其节点的上下锚板是通过螺杆与螺栓外锚固,连接效果较好,对于低层框架十分适用[19]。
美国Christopher等对角钢节点板形式的BRB框架节点进行了加载试验,通过改变节点板厚度、角钢厚度等参数,分析节点板连接处的有关性能。
并且通过与有限元模拟结果进行比较,发现双角钢配备补充角钢的连接形式受力性能最好[20]。
日本作为屈曲约束支撑开发较早的国家,近年来对屈曲约束支撑节点的研究也逐步转向混凝土结构,日本防灾减灾研究所教授中岛正爱与其他国家科研机构有过多次这方面合作[21-22]。
为了开发更多形式的节点,为实际工程提供参考,本文设计了3种新型节点的构造形式,并对其进行模拟分析比较,考察节点在单调加载下的破坏过程、工作机理以及受力性能。
1节点形式以及材料本构关系
迄今为止屈曲约束支撑混凝土节点研究相对较少,暂时还没有标准的规范形式。
笔者通过深入分析已有的节点类型认为,基于H型钢纵横截面上的刚度均较高,端面面积较大,焊接在锚板之间,用于连接上下锚板,其稳定性较为理想。
因此,通过H型钢嵌入锚固、上下锚板防止拉拔的特点,最终设计出一种新型型钢混凝土梁节点,定为1号节点(图1),此节点H型肋板竖放。
由于H型钢的摆放形式有多种,规范的连接方法分为横放和竖放,所以在原先基础上进行变更,将H型钢横放得到另外一种节点形式(图2),命名为2号节点。
锚板长度也有可能影响节点性能,所以在2号节点基础上继续优化,加长锚板,得到3号节点(图3)。
图11号节点(H型肋板竖放)
图22号节点(H型肋板横放)
图33号节点(H型肋板横放、锚板加长)
1.1材料选取
屈曲约束支撑施加的轴向力作用在节点板上,再由节点板传递到锚板、肋板,进而作用于混凝土梁。
考虑到节点与混凝土的作用机理和嵌入的方式,新型节点的嵌入部分采用H型钢。
钢材采用Q345,混凝土强度等级为C30,纵筋为HPB400,箍筋为HRB235。
具体模型尺寸列于表1。
其中l、b、h代表混凝土梁的长、宽、高;t表示锚板或节点板或加劲肋厚度;d表示钢筋直径;h1、h2表示H型钢长度、高度;t1、t2表示H型钢翼缘、腹板厚度;l1、l2表示加长前、后的锚板长度。
表1模型参数mm
lbhdth1h2t1t2l1l2800030070010307001258615001900
1.2本构关系及材料参数
本文模型混凝土强度等级为C30,抗压强度fc=30MPa,极限压应变εc=1640×10-6,抗拉强度ft=3MPa,极限拉应变εt=118×10-6。
根据GB50010—2010《混凝土结构设计规范》的规定,得到混凝土单轴应力-应变关系。
其曲线方程可按下列公式确定:
y=αax+(3-2αa)x2+(αa-2)x3
x≤1
(1a)
(1b)
式中:
αa、αd为单轴受压应力-应变曲线上升段、下降段的参数值。
模型中的钢材为Q345,弹性模量E=2.06×105MPa,泊松比v=0.3;纵筋为HPB400,箍筋为HRB235,E=2.0×105MPa,v=0.3。
钢材应用的是弹线性强化模型,曲线形式为两条近似直线的连续曲线,屈服点为其间的间断点;E为第一段直线的斜率;第二段直线为较理想的强化阶段,斜率取值为E的1%[23]。
应力-应变关系如式
(2)所示:
(2)
2边界条件及加载方式
由于混凝土框架受到水平方向地震作用,地震作用经过柱子传递到框架梁,转化为水平方向的位移。
在模拟过程中,为了准确地模拟地震作用,需要在两端加上与梁水平刚度相同的弹簧单元,来取代水平方向的移动。
屈曲约束支撑具有良好的耗能能力,在模拟中假定只受轴力作用,因此加载方向沿支撑的轴线方向,经过梁的中心(图4)。
图4加载条件和边界约束条件
3模拟结果分析
取如图5所示的加载耦合点A作为取值点,分别在支撑轴向对3种节点进行位移加载,得到3种情况下加载的力-位移曲线和加载状态下节点的破坏过程。
图5耦合取值点
3.13种节点力-位移曲线的比较
3.1.1力-位移曲线
在加载点施加同样位移荷载的情况下,3种节点呈现出的位移-荷载曲线存在一定差异(图6)。
为了方便观察节点的受力情况和过程,笔者在每条曲线分别采用点O、A、B、C来区分每种节点的3种受力阶段。
图63种节点的力-位移曲线
3.1.23种节点曲线分析
OA段为弹性阶段。
从图6可以看到,OA段大致为直线形式,中间有一段微弱的弯曲部分,是由于加载的初始时刻,梁下端混凝土与节点板边缘接触的部位发生局部破坏。
但这并没有影响到整体的受力性能,就OA段整体的趋势来说,仍属理想的弹性状态。
节点的设计承载力位于弹性阶段,小于实际承载力,说明节点形式安全可靠。
AB段为弹塑性阶段。
当加载到A点时,在与混凝土梁底端接触的位置,H型钢作为节点的肋板,开始发生屈服,节点刚度有所降低,曲线由此进入弹塑性阶段。
BC段为破坏阶段。
位移加载到B点时,节点达到极限承载力,钢与混凝土相连接的位置,混凝土被压碎贯穿整个截面,屈曲约束支撑混凝土梁节点破坏,刚度急剧退化。
曲线在C点时,荷载为极限荷载的85%,达到破坏承载力。
1~3号节点的承载力分别为1815,1873,1993kN。
3种节点虽然都满足抗震要求,但受力性能有所区别。
2号节点承载力比1号节点提升3%,说明H型钢摆放方式对承载能力有一定影响;3号节点比2号节点提升了6%,说明锚板加长长度也会在一定程度上影响节点承载能力。
综合比较可知,相对于1号节点,2号节点和3号节点的承载力分别提升3%和10%。
尽管提升幅度不是特别大,但从性能优化的角度而言,H型钢横放、锚板加长,能够起到较好的性能优化效果。
3.2应力云图和受力分析
3.2.1应力云图
3种节点破坏时的应力云图如图7所示。
a-1号节点;b-2号节点;c-3号节点。
图7Mises应力云图
3.2.2受力分析
3种节点的节点板部分受力方式基本相同,末端螺栓孔附近应力较大。
当节点达到极限承载力时,节点板未达到其极限拉压应变,始终保持在弹性状态范围内,说明节点板的稳定性良好,能够很好地传递支撑施加给节点的轴力。
另外,根据图7中节点板应力分布的面积大小可知:
2号节点板在节点破坏时,应力分布范围比1号节点略大,说明2号节点承载力比1号节点略好;3号节点板在节点破坏时应力分布范围比前两者多,说明3号节点承载力好于1、2号节点。
肋板部分传力情况也较为相似,都是承受节点板传递过来的轴力,进而通过肋板传递到混凝土核心区。
加载过程中1号节点边缘竖放的H型肋板率先屈服,在与混凝土相接触的施力区域发生压碎现象,应力云图显示,破坏时肋板应力相对集中,加载面内刚度较小,承载力较小;2号节点经H型钢横放后,加载面内应力传递相对均匀,刚度较大,承载力比1号节点稍大;3号节点经过H型钢肋板横放、锚板加长之后,肋板传力状况与2号节点基本相同,但破坏时应力更大,并且从应力云图中可以看到,加长的锚板承担了一部分力。
3种节点梁的破坏状态基本相似,破坏位置都在节点板边缘与混凝土接触的位置。
1号节点混凝土与节点相接触的受压区,在肋板发生屈服后不久,混凝土被压碎,贯穿整个截面,节点破坏。
2号节点经历同样的过程,但由于加载面内刚度大,混凝土截面贯穿的时间要比1号节点慢,最后达到节点破坏。
3号节点破坏速度最慢,承载力也最大,从应力云图中可以发现,被压碎混凝土左侧的区域,很明显也承担了一部分压力,这缘于加长的锚板将压力有效地分散到混凝土梁上,避免了受压区过早出现应力集中。
因此,在前两个节点破坏时,节点梁仍旧保持相对稳定的工作,受力性能良好。
从以上的分析比较可以得出:
节点肋板在受力过程中起到承接并传递力的作用,其截面形式影响着整个节点的承载力。
1、2号节点的肋板与混凝土表面接触面积相同,但由于H型肋板的腹板方向刚度较大,因此肋板横放时,其轴力作用面上刚度较大。
边缘肋板在加载时不易屈服,致使2号节点比1号节点受力性能略好。
3号节点与2号节点构造形式完全相同,但锚板加长,覆盖了节点与混凝土相接触的部位。
锚板加长区承担了一部分力,因此有效地缓解了受压区混凝土的应力集中,延长了节点的寿命。
3.2.3锚板加长长度
经过模拟比较发现,锚板长度会在一定程度上影响节点的承载能力和受力性能。
以上构件中采用的是加长200mm锚板,为了确切地总结出最合适的锚板长度,通过控制变量的方法,对几种相同形式节点进行锚板依次加长,从不加长到加长400mm,再施加相同的轴向荷载,经过比较发现,随着锚板长度的增加,节点力-位移曲线上升段基本相近,但极限承载力呈递增趋势。
当锚板加长长度在300mm左右时,曲线顶点仍旧上升,同时下降段开始向y轴靠拢,破坏荷载变得不明显,下降幅度变大。
说明锚板长度加到300mm后,节点延性变差,达到极限荷载后迅速进入破坏阶段,安全系数低。
当锚板加长400mm左右时,曲线向y轴靠拢的趋势更加明显,极限承载力提升幅度不大,下降段变
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