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半剛性連接鋼框架的時(shí)程分析{免費(fèi)}(一)
馬翠玲1，孫頌旦2，華建兵1，孫愛琴1
(1. 合肥學(xué)院，合肥 230022；2. 宣城柏莊置業(yè)有限公司 ，宣城 242000)
[摘要] 為了探討不同梁柱節(jié)點(diǎn)鋼框架抗震性能的差別，本文結(jié)合工程實(shí)際設(shè)計(jì)了10個(gè)系列，共50個(gè)有限元試件，通過ANSYS分析軟件，對(duì)框架進(jìn)行時(shí)間歷程分析，來探討框架層數(shù)、框架跨數(shù)，尤其是梁柱連接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度等參數(shù)對(duì)鋼框架抗震性能的影響。分析表明：半剛性鋼框架結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下具有良好的抗震性能。
[關(guān)鍵詞]半剛性鋼框架，地震荷載，有限元，時(shí)程分析
Time-history Analysis of Semi-rigid Steel Frames
MA Cuiling1,SUN Songdan2,HUA Jianbing1,SUN Aiqin1
(1. Hefei Univercity, Hefei 230022; 2,XuanchengBaizhuang Company Limited , Xuancheng 242000)
Abstract：In order to research of the seismic performance of semi-rigid steel frames, the paper design 10 series (altogether 50) of finite element analytic models. Furthermore, the time-history analysis is discussed in this paper to investigate the relations between frame parameters of semi-rigid steel frames, these parameters include the frame’s floor number, the frame’s span number and the frame’s damp, especially the rotation stiffness of beam-to-column connections.
Comparing with the steel frame structure, semi-rigid steel frame structure under seismic loading has a good seismic performance.
Keyword: semi-rigid steel frame, earthquake load, finite element, time-history analysis
1.引言
鋼框架結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高，塑性、韌性好，重量輕，特別適合動(dòng)力荷載下工作的特點(diǎn)，在實(shí)際工程中鋼框架得到越來越廣泛的應(yīng)用，其中梁柱節(jié)點(diǎn)是鋼框架中的關(guān)鍵連接部分。大量的試驗(yàn)證明，在荷載作用下，鋼框架的實(shí)際梁柱連接性能總是介于理想的剛接和鉸接之間，即半剛性的連接。半剛性節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度[1]一般在600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-6481.png" width="137" height="23" />之間，具有較好的延性及耗能能力[2，3]，可以大大降低震害[4]。但是由于半剛性連接的復(fù)雜性和多樣性，相應(yīng)的理論和試驗(yàn)研究尚應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步發(fā)展，本文的目的就是對(duì)半剛接鋼框架在地震作用下的力學(xué)性能，予以探討。
2.1例證(半剛接懸臂梁分析驗(yàn)證)
為了驗(yàn)證使用ANSYS軟件在組合結(jié)構(gòu)有限元建模過程中的正確性以及使用建立的模型進(jìn)行分析計(jì)算的可靠性，通過對(duì)以下算例的計(jì)算，以驗(yàn)證使用ANSYS軟件建模和計(jì)算分析的準(zhǔn)確程度。
如圖1所示半剛接懸臂梁承受集中荷載，P1=20kN，P2=10kN。梁端采用半剛接，梁的長度L=2000mm，梁的截面采用H200600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-6837.png" width="13" height="14" />150600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-31055.png" width="13" height="14" />6600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-9698.png" width="13" height="14" />8。計(jì)算懸臂梁的端部豎向位移。采用ANSYS計(jì)算與線性簡化計(jì)算兩種計(jì)算方法，其結(jié)果見表1。觀察表中計(jì)算結(jié)果，兩種方法的計(jì)算結(jié)果非常接近。ANSYS分析中單元模型采用Beam189、COMBIN14單元。
600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-13555.png" width="484" height="147" />
圖1半剛接懸臂梁尺寸圖
Fig.1 Semi-rigid cantilever beam size plan.
表1 半剛接懸臂梁ANSYS與線性簡化計(jì)算結(jié)果對(duì)比表 單位:mm
Table 1 Comparative table between ANSYS and calculated results with the linear simplified Unit:mm
2.2有限元框架的詳細(xì)參數(shù)
有限元框架結(jié)合工程實(shí)際建立，框架梁柱均為H型截面，材料均為Q235�？蚣茉嚰孛娉叽缭斠姳�2，表中所有框架試件的梁柱截面尺寸由3D3S軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)依據(jù)如下：
表2 框架試件截面尺寸圖
Table 2 The section size for frame sample
2.2有限元框架的詳細(xì)參數(shù)
有限元框架結(jié)合工程實(shí)際建立，框架梁柱均為H型截面，材料均為Q235。框架試件截面尺寸詳見表2，表中所有框架試件的梁柱截面尺寸由3D3S軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)依據(jù)如下：
表2 框架試件截面尺寸圖
Table 2 The section size for frame sample
2.2有限元框架的詳細(xì)參數(shù)
有限元框架結(jié)合工程實(shí)際建立，框架梁柱均為H型截面，材料均為Q235�？蚣茉嚰孛娉叽缭斠姳�2，表中所有框架試件的梁柱截面尺寸由3D3S軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)依據(jù)如下：
表2 框架試件截面尺寸圖
Table 2 The section size for frame sample
2.2有限元框架的詳細(xì)參數(shù)
有限元框架結(jié)合工程實(shí)際建立，框架梁柱均為H型截面，材料均為Q235�？蚣茉嚰孛娉叽缭斠姳�2，表中所有框架試件的梁柱截面尺寸由3D3S軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)依據(jù)如下：
表2 框架試件截面尺寸圖
Table 2 The section size for frame sample
2.2有限元框架的詳細(xì)參數(shù)
有限元框架結(jié)合工程實(shí)際建立，框架梁柱均為H型截面，材料均為Q235�？蚣茉嚰孛娉叽缭斠姳�2，表中所有框架試件的梁柱截面尺寸由3D3S軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)依據(jù)如下：
表2 框架試件截面尺寸圖
Table 2 The section size for frame sample
2.2有限元框架的詳細(xì)參數(shù)
有限元框架結(jié)合工程實(shí)際建立，框架梁柱均為H型截面，材料均為Q235�？蚣茉嚰孛娉叽缭斠姳�2，表中所有框架試件的梁柱截面尺寸由3D3S軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)依據(jù)如下：
表2 框架試件截面尺寸圖
Table 2 The section size for frame sample
2.2有限元框架的詳細(xì)參數(shù)
有限元框架結(jié)合工程實(shí)際建立，框架梁柱均為H型截面，材料均為Q235。框架試件截面尺寸詳見表2，表中所有框架試件的梁柱截面尺寸由3D3S軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)依據(jù)如下：
表2 框架試件截面尺寸圖
Table 2 The section size for frame sample
2.2有限元框架的詳細(xì)參數(shù)
有限元框架結(jié)合工程實(shí)際建立，框架梁柱均為H型截面，材料均為Q235�？蚣茉嚰孛娉叽缭斠姳�2，表中所有框架試件的梁柱截面尺寸由3D3S軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)依據(jù)如下：
表2 框架試件截面尺寸圖
Table 2 The section size for frame sample
2.5不同框架形式柱底剪力的比較
注：下列各圖中橫坐標(biāo)時(shí)間下方的圖例3，4，5，6，600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-21540.png" width="29" height="16" />分別表示節(jié)點(diǎn)剛度分別為1×103、1×104、1×105、1×106kN·M/rad，600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-1202.png" width="29" height="16" />。
600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-10010.png" width="488" height="271" />
圖5單跨三層框架柱底剪力對(duì)比分析圖
Fig.5 Comparative analysis of shear at the end of column for three-storey single-span frame
由圖5可以看出：
(1)鋼框架柱底剪力時(shí)程曲線在地震波激勵(lì)時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性，應(yīng)該是由于節(jié)點(diǎn)的半剛性使得梁柱端約束減少，在地震作用下結(jié)構(gòu)的耗能能力和延性增加，對(duì)抗震有利。
(2)半剛接鋼框架柱底剪力峰值介于理想鉸接和完全剛接之間，時(shí)程曲線在激勵(lì)時(shí)間內(nèi)比較穩(wěn)定，半剛接鋼框架和完全剛接鋼框架可以有效地降低剪力。
(3)在地震加速度達(dá)到峰值之前，剪力時(shí)程曲線與地震加速度譜變化同步。
600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-10200.png" width="488" height="283" />
圖6 框架柱底剪力隨剛度變化圖
Fig.6 Shear at the end of column with the stiffness change
表3不同框架形式的柱底剪力與節(jié)點(diǎn)剛度關(guān)系對(duì)比表
Table 3 Comparative analysis of the shear at the end of column for different frame
由表3可知：
(1)結(jié)構(gòu)層數(shù)增大，剪力數(shù)值隨之增大但變化趨勢沒有明顯不同。
(2)不論框架形式如何，柱底剪力極值隨節(jié)點(diǎn)剛度變化不明顯，其中單跨、三跨和雙跨六層框架的極值在節(jié)點(diǎn)剛度為105kN·M/rad時(shí)達(dá)到最小。
600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-8491.png" width="488" height="271" />
圖7 單跨三層框架柱底彎矩對(duì)比分析圖
Fig.7 Comparative analysis of moment at the end of column for three-storey single-span frame
表4不同框架形式柱底彎矩的對(duì)比分析表
Table 4 Comparative analysis of the moment at the end of column for different frame
通過分析其他單跨六層、雙跨六層、雙跨九層、雙跨十二層、三跨六層框架形式，
圖7和表4可知：
(1)在地震激勵(lì)時(shí)間內(nèi)，柱底彎矩時(shí)程曲線穩(wěn)定性有所變化：單跨六層、雙跨九層、雙跨十二層、三跨六層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)良好的穩(wěn)定性，而單跨三層、雙跨六層框架不穩(wěn)定。
(2)框架的層數(shù)、跨數(shù)對(duì)柱底彎矩時(shí)程曲線的幅值影響明顯但對(duì)峰值出現(xiàn)的時(shí)刻、往復(fù)變動(dòng)的次數(shù)影響不大。
(3)半剛接鋼框架的柱底彎矩隨節(jié)點(diǎn)剛度的增大而減小。
600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-26682.png" width="488" height="271" />
圖8 天津波作用下雙跨九層框架頂點(diǎn)位移對(duì)比分析圖
Fig.8 Comparative analysis of the top-level node displacement for nine-storey double-span frame Under the action of Tianjin wave
600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-18665.png" width="488" height="271" />
圖9 EL-Centro作用下雙跨九層框架底點(diǎn)剪力對(duì)比分析圖
Fig.9 Comparative analysis of the shear at the end of column for nine-storey double-span frame Under the action of El-Centro wave
通過對(duì)寧河天津波、EL-Centro波和遷安波分別作用下雙跨九層框架的頂層節(jié)點(diǎn)位移和底層節(jié)點(diǎn)剪力的對(duì)比分析，可以看到，同一節(jié)點(diǎn)剛度框架在不同地震激勵(lì)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)水平位移和底層節(jié)點(diǎn)剪力是不同的。寧河天津波的頂點(diǎn)位移和底層剪力時(shí)程曲線是穩(wěn)定的且較為稀疏，其次是EL-Centro波，最后是遷安波。并且，三種地震波作用下的位移值懸殊，剪力峰值差距保持在十倍以內(nèi)。同時(shí)，雙跨九層框架諸參數(shù)的響應(yīng)曲線往返波動(dòng)的頻率，幅值，方式各有其自身的特點(diǎn)。
通過對(duì)不同層數(shù)、跨數(shù)和節(jié)點(diǎn)剛度的框架的時(shí)間歷程分析，結(jié)果顯示：
(1)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度取+600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-22651.png" width="17" height="14" />、106kN·M/rad時(shí)，框架的柱底剪力非常接近，可見節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為106kN·M/rad時(shí)，可以認(rèn)為是剛性節(jié)點(diǎn)。
(2)框架的層數(shù)、跨數(shù)對(duì)柱底彎矩時(shí)程曲線的幅值影響明顯但對(duì)峰值出現(xiàn)的時(shí)刻、往復(fù)變動(dòng)的次數(shù)影響不大。
(3)不同的鋼框架，隨著節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的降低，在地震荷載激勵(lì)下框架底層支座水平剪力降低。這些表明，隨著節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的降低，框架的整體剛度在下降，框架的延性增加，受力性能在一定程度上得到了改善。
(4)半剛框架柱底剪力的時(shí)程曲線在地震波激勵(lì)時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，其穩(wěn)定程度和框架的層數(shù)和跨數(shù)有一定關(guān)系，這是由于節(jié)點(diǎn)的半剛性使得梁端約束減少，梁柱節(jié)點(diǎn)有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，在地震作用下增加了結(jié)構(gòu)的耗能能力和延性。因此半剛節(jié)點(diǎn)可以代替剛性節(jié)點(diǎn)用于抗震區(qū)的鋼框架設(shè)計(jì)，從而避免在地震時(shí)由于節(jié)點(diǎn)延性不足而產(chǎn)生焊縫開裂所帶來的結(jié)構(gòu)破壞。
考 文 獻(xiàn)
[1] 鄭廷銀. 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.
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[5] 本格尼·s·塔拉納特。高層建筑鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]。北京:中國建筑工業(yè)版社1999.
2008年度合肥學(xué)院院內(nèi)自然科學(xué)研究項(xiàng)目(08KY025ZR)
第一作者：馬翠玲(1980-),女，山東菏澤人，工學(xué)碩士，助教
通訊地址：安徽省合肥市蜀山區(qū)黃山路373號(hào)合肥學(xué)院建筑工程系，郵編:230022
聯(lián)系電話：15856905278/0551-2158465（辦） E-mail: ling3701@163.com
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