Hysteretic Behavior of Semi-rigid Connections of Beam with Corrugated Webs-to-Column Minor Axis
李清扬① LI Qing-yang；闫冰川① YAN Bing-chuan；孙建颖② SUN Jian-ying；阳莹② YANG Ying
（①河北工程大学土木工程学院，邯郸 056038；②河北工程大学建筑设计研究院，邯郸 056038）
（①College of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China；
②Hebei University of Engineering Research Institute of Architecture Design，Handan 056038，China）
摘要：对波纹腹板钢梁柱弱轴方向半刚性连接节点的抗震能力进行分析，借助ANSYS构建有限元模型，在此之上完成仿真操作，获得对应的滞回曲线以及相关的耗散系数。讨论了梁腹板高度及腹板厚度对连接节点滞回性能的影响。结果表明：在加载的初始时期，加载和卸载对应的曲线几乎完全相同，随着荷载数值的逐渐增加，弯矩和转角之间具有非常明显的非线性关系，滞回环面积逐渐变大，可是滞回环的对角线对应的斜率却逐渐变小，对应的连接节点的刚度逐渐变小；将节点的滞回性能作为衡量指标，发现腹板高度以及厚度对其产生的影响比较显著。
Abstract: The aseismatic performance of semi-rigid connections of steel beam with corrugated webs in weak axis direction is analyzed, and the finite element model is built by ANSYS. On this basis, the corresponding hysteresis curves and relevant dissipation coefficients are obtained. The effects of beam web height and web thickness on hysteretic behavior of connections are discussed. The results show that the curves corresponding to loading and unloading are almost the same at the initial stage of loading. With the increase of load value, there is a very obvious nonlinear relationship between bending moment and rotation angle, the area of hysteresis curves increases gradually, but the slope corresponding to diagonal line of hysteresis curves decreases gradually, the stiffness of the corresponding joints gradually decreases; taking the hysteretic behavior of the joints as an index, it is found that the height and thickness of the web have a significant impact on the joint.
关键词：波纹腹板钢梁；柱弱轴；半刚性连接；滞回性能；能量耗散系数
Key words: steel beam with corrugated web；column minor axis；semi-rigid connections；hysteretic behavior；energy dissipation coefficient
中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）35-0139-03
0 引言
波纹腹板H型钢梁具有优良的结构性能和显著的经济效益，应用日趋广泛[1-2]。梁柱连接中的半刚性连接更符合实际受力性能[3]。钢框架结构的抗震性能好，连接节点性能对钢框架结构性能的影响至关重要。2017年，李国强、孙飞飞[4]对波纹腹板H型钢的空间节点静力性能进行了研究。同年，李清扬、赵立伟[5]对波纹腹板钢梁柱强轴方向连接节点滞回性能进行了分析。目前关于波纹腹板钢梁柱连接节点的研究大多是针对于强轴方向，关于弱轴连接的内容则相对较少。在结构框架系统里，通常纵向与横向都能够构建相应的框架，梁与柱腹板连接和与柱翼缘连接一样普遍[6]。因为楼板设计的方案相对较多，弱轴连接对楼板整体性能产生的影响不容小觑[7]。所以分析弱轴连接的抗震能力对探究空间框架结构抗震性能具有重要意义。本篇文章将波纹腹板钢梁柱作为研究对象，借助ANSYS分析方法，针对其弱轴半刚性外伸端板连接在抗震方面的能力完成具体的研究，获得相关的滞回性能，并分别讨论梁腹板高度及厚度对连接节点滞回性能的影响。研究结果对波纹腹板梁框架结构的抗震性能有一定的工程指导意义。
1 模型建立
1.1 几何模型 本文所研究的模型与相关参数见图1-图4。参考《波纹腹板钢结构技术规程》（CECS 291:2011）中的有关规定[8]，选择的波纹腹板钢梁类型为CWA500-200×12型，也就是梁腹板的高度为500mm，梁翼缘的宽度为200mm、厚度为12mm，腹板的厚度为4mm。柱的具体规格是H 350×350×12×19，梁的悬臂段长为2974mm，端板的厚度是24mm。螺栓使用的类型为10.9级M24型。此梁柱连接模型为基础模型，定义为MAIN试件。
1.2 有限元模型
1.2.1 单元选取和材料特性 有限元模型采用三维实体单元、预拉伸单元以及接触单元，采用等向强化本构模型和米塞斯屈服准则。波纹腹板钢梁、H型钢柱、端板以及螺栓四个部分都使用四面体单元（Solid 92），梁、柱以及端板所用的钢材型号为Q235，弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比的具体数值是0.3。柱腹板以及端板之间的接触面配置相应的接触单元（Target 170和Contact 174），要求相关接触面的抗滑移系数满足0.40的要求。借助预拉力单位（PRETS 179）得到有关螺栓的预拉力[9]，参照《钢结构高强度螺栓连接技术规程》（JGJ82-2011）[10]，将螺栓的预拉力数值确定为225kN。
1.2.2 网格划分、边界条件以及加载 网格划分结果如图5、图6所示。
■
试件的边界条件依据真实状况进行仿真：在柱的顶部位置，分别于x方向以及z方向施加约束；在柱的底部位置，分别在x、y以及z方向施加约束，为了避免梁侧出现不稳固的问题，在悬臂梁端的z方向施加约束。x与y各自代表了梁轴方向、柱轴方向。
1.2.3 试件模型循环加载及破坏 施加荷载时，要依据项目的真实进度状况完成，先在螺栓所处位置施预拉力，然后在梁端位置反复施加荷载，将y轴的正向表示为正。关于模型的加载流程具体如表1所示。若滞回曲线出现下述现象，则能够判断相关试件受到损坏：①曲线有下降段出现，该段曲线所对应的斜率数值为负；②本级与上级循环相比，曲线对应的最大荷载数值相对较小[11]。
2 能量耗散系数
对试件的能量耗散情况进行分析，应该使用滞回曲线围成的面积，借助能量耗散系数E完成评估[11]，详细的运算如式（1）以及图7所示，E越大表明试件的耗能能力越强。
■ （1）
式中：■——图7中滞回曲线所包围的面积；
■——图7中三角形OBE与ODF的面积之和。
■
3 影响滞回性能的参数分析
3.1 波纹腹板高度
调整MAIN模型的腹板高度，分别取500mm、550mm、600mm、650mm、700mm，得到5种模型（MAIN、P1-P4），对其分别模拟循环荷载下滞回性能并分析，结果如图8所示。
依照图8（a）-（e）不难得知，在循环荷载的影响下，MAIN对应的滞回曲线饱满程度最大，满足耗能以及抗震能力的要求。对应的循环荷载增大，滞回环能够围成的面积同样增大，滞回环对应的对角线斜率相对减小。而总体来看，梁高越大，滞回曲线越不饱满。
在初始加载阶段，加载与卸载曲线一致且为一次函数。随后不断加大循环荷载，弯矩与转角表现出显著的非线性关系，对应的滞回环面积逐渐变大，可是滞回环对应的对角线斜率却逐渐变小，呈现出刚度减小的趋势。经过循环往复加载，节点强度没有明显的减弱，证明此腹板钢梁柱弱轴方向相关的连接节点满足抗震方面的要求。
■
改变波纹腹板高度值，试件的能量耗散系数和极限弯矩值如表2所示。由表2可见，波纹腹板高度越大，节点的极限弯矩值越大，但能量耗散系数越小。
3.2 波纹腹板厚度
取腹板厚度为2mm、3mm、4mm（Q1-Q2、MAIN）的3种试件进行对比，结果如图9（a）-（c）所示。
图9（a）-（c）可见，Q1的滞回曲线呈梭形但不饱满，是由于Q1的腹板厚度过小，导致梁提前屈服。Q2、MAIN的滞回曲线更加饱满，MAIN对应曲线的饱满程度最大，因此，当腹板厚逐渐增加时，有关节点的滞回性能也同样增大，而且发挥的作用更为明显。
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改变波纹腹板厚度值，试件的能量耗散系数如表3。由表3可见，波纹腹板厚度值越大，节点的能量耗散系数和极限弯矩越大。
4 结论
①由MAIN模型弱轴连接节点滞回曲线可以看出，借助有限元仿真循环荷载产生的影响，对应的滞回曲线相对平稳、饱满，满足耗能以及滞回方面的要求。在加载的初始时期，加载与卸载曲线一致且为一次函数。随后不断加大循环荷载，弯矩与转角表现出显著的非线性关系，对应的滞回环面积逐渐变大，可是对应的滞回环的对角线斜率却逐渐变小，呈现出刚度减小的趋势。经过循环往复加载，节点强度没有明显的减弱，说明该MAIN试件节点具有较好的抗震性能。②梁腹板高度对弱轴连接节点滞回性能影响较大。波纹腹板高度越大，连接节点的能量耗散系数E越小，但是极限弯矩值反而增大。当腹板高逐渐上升，由500mm升至700mm时，能量耗散系数E降低12.8%，极限弯矩增大36.0%，变化较明显，其中在腹板高度从600mm变为650mm时，能量耗散系数E变化最明显；③梁腹板厚度对弱轴连接节点在滞回性能方面的影响比较显著。波纹腹板对应的厚度越小，相关连接节点所对应的E值也逐渐减小，此时极限弯矩值也随之降低。当梁腹板逐渐变薄，从4mm降至2mm时，能量耗散系数降低17.5%，极限弯矩降低10.2%，能量耗散系数变化显著；④各组模型中，MAIN试件的500mm腹板高度取值是P组对应能量耗散系数E最大值，2mm腹板厚度取值是Q组对应能量耗散系数E最大值，对比得出，MAIN试件节点的抗震性能最好，因此，《波纹腹板钢结构技术规程》中，CWA500-200×12尺寸选取十分合理，此型号波纹腹板钢梁柱弱轴连接节点有良好的抗震性能，具有一般性、通用性。
参考文献：
[1]ABBAS H H, SAUSE R, DRIVER R G. Behavior of corrugated web I-girders under in-plane loads[J]. Journal of Engineering Mechanics.2006,132(8):806-814. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9399(2006)132: 8(806).
[2]李国强，张哲，孙飞飞.波纹腹板H型钢梁抗剪承载力[J].同济大学学报（自然科学版），2009，37（6）：709-714.
[3]李国强，史文龙，王静峰.半刚性连接钢框架结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.
[4]孙飞飞，李国强.波纹腹板H形钢空间节点静力性能研究[J].建筑钢结构进展，2017，19（1）：71-77.
[5]李清扬，赵立伟.波折腹板钢梁柱半刚性外伸端板连接节点滞回性能研究[J].钢结构，2017，4（32）：6-10.
[6]李清扬，孙建颖，刘远鹏等.波折腹板钢梁柱弱轴半刚性连接性能研究[J].钢结构，2017，32（2）：36-41.
[7]王湛，王涛.半刚性钢框架梁柱弱轴端板连接的试验研究和有限元分析[J].土木工程学报，2012，45（8）：83-89.
[8]CECS 291: 2011，波纹腹板钢结构技术规程[S]．北京：中国计划出版社，2011.
[9]李清扬，任玉卓，刘远鹏，等.波纹腹板H型钢梁柱半刚性外伸端板连接性能研究[J].施工技术，2015，44（20）：96-99.
[10]JGJ82-2011，钢结构高强度螺栓连接技术规程[S]．北京：中国建筑工业出版社，2011.
[11]JGJ/T 101-2015，建筑抗震试验规程[S]．北京：中国建筑工业出版社，2015. |
