【文章內(nèi)容簡介】 混合機制的抗震 性能介于梁鉸機制和柱鉸機制之間，雖然中柱截面的塑性鉸對整體剛度有一定的影響，但是可以利用邊柱對剛度的貢獻，使結(jié)構(gòu)不致發(fā)生倒塌。 節(jié)點破壞：當(dāng)框架的節(jié)點域抗剪能力較差時，會造成節(jié)點在地震作用下的剪切破壞。對于鋼結(jié)構(gòu)來說，節(jié)點破壞還包括梁柱連接焊縫破壞。節(jié)點破壞相當(dāng)于梁柱都發(fā)生破壞，后果最為嚴(yán)重，因而也是抗震設(shè)計時最應(yīng)該避免的破壞機制。 塑性鉸塑性鉸塑性鉸塑性鉸 (a) 梁鉸機制 (b) 柱鉸機制 (c) 混合機制 (d) 節(jié)點破 壞 圖 框架破壞機制 Fig Failure mechanism of the Frame 鑒于以上幾種破壞機制的特點，現(xiàn)今國內(nèi)外普遍控制鋼框架結(jié)構(gòu)在強震作用下形成梁鉸機制，即通過設(shè)計使框架形成“強柱弱梁”的抗震結(jié)構(gòu)體系，從而使剛框架結(jié)構(gòu)具有更好的抗震性能。總而言之，形成梁鉸機制是一種增強框架延性的方法。 增強框架延性 延性反映了框架結(jié)構(gòu)在進入塑性后的變形能力。延性越高，框架進入塑性后的變形能力越強，在強烈地震作用下，框架能承受的位移越大，在不斷的塑性變形過程中，吸收地震能量，并且 不能導(dǎo)致框架倒塌。 增強框架的延性方法有很多，圖 是 美國 SAC 機構(gòu) （美國北嶺地震后，由美國聯(lián)邦應(yīng)急管理局（ FEMA）組織成立的聯(lián)合研究機構(gòu)，主要成員為加州結(jié)構(gòu)工程協(xié)會（ SEAOC）、應(yīng)用技術(shù)研究會（ ATC）和加州的地震工程研究單位（ CU），因此被稱為SAC） 所推薦的延性鋼框架破壞形式 。此種形式是典型的梁鉸破壞機制，在地震作用下，梁端截面進入塑性，形成塑性鉸，通過塑性鉸的變形吸收地震能量，此時的框架柱不發(fā)生影響結(jié)構(gòu)剛度和承載力的破壞，從而保證結(jié)構(gòu)不倒塌。要達到此種延性鋼框架的要求，可以通過降低梁柱剛度比， 即減小框架梁剛度或增強框架柱剛度來實現(xiàn)，或是通過對改進框架節(jié)點形式，人為設(shè)定塑性鉸出現(xiàn)位置來實現(xiàn)。前種方法的經(jīng)濟性和實用性不好保證，樓板對框架梁剛度的貢獻及承擔(dān)正常使用條件下荷載的要求，使框架梁的剛度往往不能隨意減小，而一味增加框架柱的剛度又會使造價增高，并且造成過多的材料浪費。后一種方法可以很好的實現(xiàn)地震作用下延性破壞形式，且能在滿足正常使用條件下，不致使造價提高過多。 變形前框架變形后框架梁端塑性鉸 圖 延性鋼框架破壞形式 Fig Ductile failure mode of steel frame 美國 FEMA350[57]和我國建筑抗震設(shè)計規(guī)范 GB50011[5859]，推薦使用 翼緣削弱型節(jié)點 (Reduced Beam Section, RBS)， 即常說的狗骨式 節(jié)點，來形成延性鋼框架破壞形式。此種方法的原理是將梁端的翼緣進行局部削弱，使梁端削弱處的抗彎承載力低于梁柱節(jié)點域和框架柱，從而使其在地震作用下先于梁柱節(jié)點域和框架柱屈服，形成塑性鉸，達到“強柱弱梁”，“強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計要求。此種節(jié)點削弱形式雖然在我國已經(jīng)以規(guī)范的形式進行推廣，但是對其應(yīng)用有一 定的限制， GB500112020[58]規(guī)定一級和二級鋼框架，宜采用骨形連接。可見，我國建議在高設(shè)防烈度區(qū)域使用狗骨式節(jié)點。原因在于，翼緣對框架梁抗彎承載力貢獻最大，削弱梁翼緣，不但加工制造較為繁瑣，對框架梁抗彎承載力的削弱也非常大，要得到工程人員和業(yè)主的普遍接受較為困難。 除此翼緣削弱以外，利用蜂窩梁本身的腹板削弱，形成削弱式節(jié)點形式，也是一種切實可行的辦法。蜂窩梁梁端腹板削弱，可以形成局部抗彎承載力降低， 在彎矩和剪力的共同作用下， 蜂窩梁的蜂窩孔洞部位 四個角部 （圖 的陰影部位） 會相繼 出現(xiàn) 屈服，形成空 腹梁機制 (Vierendeel Mechanism)，這樣會使蜂窩梁梁端孔洞部位的抗彎承載力低于梁柱節(jié)點。因為腹板對蜂窩梁慣性矩貢獻不大，其抗彎承載力的降低并不像狗骨式一樣難以接受，并且利用蜂窩梁本身的蜂窩孔洞，不會產(chǎn)生二次加工的費用，利于施工工廠化和機械化的要求，考慮到利用蜂窩梁所形成的優(yōu)勢，總體造價也不會有提高。 Chung K F[6061]、 Liu T CH[62]等人的研究表明，蜂窩梁腹板削弱后，截面的剪應(yīng)力分布將發(fā)生改變，翼緣承擔(dān)的剪應(yīng)力將增加，所以并不會發(fā)生抗剪承載力大幅下降的情況?？梢姡?蜂窩梁腹板孔洞形成延性框架的破壞形式，是值得應(yīng)用和推廣的。 塑性區(qū)域 塑性區(qū)域 圖 蜂窩孔洞塑性區(qū)域 The plastic zone in cellular holes 改進框架節(jié)點形式 美國北嶺地震 [63]和日本阪神地震 [64]震害研究表明，鋼結(jié)構(gòu)在強烈地震作用下，梁柱節(jié)點區(qū)域焊縫的脆性破壞是鋼結(jié)構(gòu)建筑破壞的主要原因之一。圖 是傳統(tǒng)的鋼框架梁柱節(jié)點連接形式，采用栓焊連接。此種連接形式在地震中破壞的實例很多，主要是因為梁翼緣 現(xiàn)場施焊，焊接質(zhì)量無法保證，梁柱連接處為應(yīng)力最大部位，所以歷次震害都表明，此種連接形式易產(chǎn)生破壞，威脅結(jié)構(gòu)的安全。 圖 傳統(tǒng)栓焊連接節(jié)點 Fig Boltweld connection 通過對歷次震害的研究，國內(nèi)外推薦了各種改進式節(jié)點形式，如圖 所示。改進式節(jié)點形式的思路有以下幾點：一是采用懸臂梁段（懸臂梁段連接），避免梁柱連接處現(xiàn)場加工，柱與懸臂梁段的連接在工廠進行，保證焊接質(zhì)量，懸臂梁段與框架梁的連接在現(xiàn)場進行。這樣可以保證在地震作用下，框架梁的破壞位置發(fā)生于現(xiàn)場連接處，避免節(jié)點 域破壞；二是翼緣削弱式連接（骨形連接），如前文所述，使地震作用下的塑性鉸產(chǎn)生于梁端削弱處，保護梁柱連接區(qū)域；三是翼緣加強型連接（蓋板式連接、翼緣板式連接），此種節(jié)點的思路與前一種相反，通過梁柱連接部位的翼緣加強，可以使梁柱連接處強于框架梁其他部位，地震作用下，使加強部位不先于其他部位破壞，保護梁柱連接區(qū)域；四是梁端腹板開孔型節(jié)點（梁腹板開孔式連接），此種節(jié)點思路與第二種相仿，采用梁腹板開孔，使開孔部位抗彎承載力低于梁柱連接部位，從而在開孔處形成塑性鉸，保護梁柱連接部位。 柱梁 懸臂梁段 柱局部削弱梁 (a) 懸臂梁段連接 (b) 骨形連接 梁 柱梁 楔形蓋板柱 (c) 梁端擴大型連接 (d) 蓋板式連接 柱梁 翼緣板 梁腹板孔洞梁 柱 (e) 翼緣板式連接 (f) 梁腹板開孔式連接 圖 改進式節(jié)點形式 Fig Improved node 美國 FEMA350[57]報告中曾經(jīng)提到過 梁腹板開孔式節(jié)點 ，文獻 [50]和 [51]對梁腹板開圓孔框架和節(jié)點進行了抗震性能分析，表明在框架的梁腹板開設(shè)一定大小的圓孔后，并沒有降低結(jié)構(gòu)的整體剛度，反而能形成延性框架形式，最大塑性區(qū)移至梁腹板削弱處，最大限度的減小了梁柱連接處的轉(zhuǎn)角，能有效的避免梁柱連接焊縫的脆性斷裂，提高了鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。此種結(jié)構(gòu)形式既屬于改進型框架節(jié)點，也屬于 節(jié)提出的增強框架延性的措施，但是，單純的將框架梁端進行切割孔洞，不但施工較為繁瑣，也增加了建筑造價。利用蜂窩梁本身所具有的蜂窩孔洞，也能夠形成此種節(jié)點所能達到的效果?？梢赃@樣說，梁端形成塑性鉸是蜂窩梁本身所具有的特性之一，本文即探索利用蜂窩孔洞所形成的塑性鉸，構(gòu)成強柱弱梁的抗震結(jié)構(gòu)體系，并確定具體的設(shè)計方法。 蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu) 蜂窩式鋼框架是由蜂窩梁與實腹柱，或蜂窩梁與蜂窩柱連接而成。通過前述的蜂窩構(gòu)件優(yōu)點可知，蜂窩式鋼框 架特別適用于多高層樓房，無大型吊車的工業(yè)廠房 和輕鋼結(jié)構(gòu)等建筑 。應(yīng)用蜂窩式鋼框架，滿足工業(yè)化生產(chǎn)和機械化安裝的要求，符合綠色建筑的理念，值得全面推廣。 (a) 蜂窩梁與實腹柱 (b) 蜂窩梁與蜂窩柱 圖 蜂窩式鋼框架 Cellular steel frame 實腹柱蜂窩梁 蜂窩柱蜂窩梁 (a) 蜂窩梁與實腹柱連接節(jié)點 (b) 蜂窩梁與蜂窩柱連接節(jié)點 圖 蜂窩式鋼框架節(jié)點形式 Fig Frame joints of cellular steel frame 本文的研究內(nèi)容、方法及創(chuàng)新點 主要研究內(nèi)容及方法 本文從實際應(yīng)用出發(fā)，以文獻 [52]試驗研究為基礎(chǔ)，利用 ANSYS 有限元分析軟件，建立由蜂窩梁與實腹柱組成的蜂窩式鋼框架有限元分析模型，對其進行低周反復(fù)荷載作用下的全過程有限元分析，考慮蜂窩梁的孔洞參數(shù)（包括擴高比、孔洞位置、孔洞形狀等）對蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，尋找諸多參數(shù)的 合理取值建議，為蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計和工程應(yīng)用提供參考。具體的研究內(nèi)容如下： 對文獻 [52]的試驗試件進行有限元分析，通過破壞模式、滯回曲線，骨架曲線、延性、剛度退化曲線、耗能能力等與試驗結(jié)果進行對比，驗證有限元建模和分析方法的正確性。 在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)之上，對兩種孔型（六邊形孔和圓形孔）的蜂窩梁實腹柱鋼框架進行有限元模擬分析，分析孔洞形狀、擴高比、孔洞位置等蜂窩梁參數(shù)對蜂窩式鋼框架梁端塑性鉸位置的影響規(guī)律，建立在擴高比，孔洞形狀影響下，可利用蜂窩梁腹板孔洞使框架梁端塑性鉸外移的蜂窩式鋼 框架梁端孔洞位置的合理取值公式，并分析在此梁端孔洞位置范圍內(nèi)，蜂窩式鋼框架的抗震性能。 在梁端孔洞位置的合理取值范圍內(nèi)，分析層數(shù)和跨數(shù)對蜂窩式鋼框架延性和耗能能力的影響規(guī)律，建立蜂窩式鋼框架抗震性能分析的典型模型，并利用此典型模型，分析擴高比、孔洞形狀等參數(shù)對蜂窩式鋼框架耗能能力和延性的影響規(guī)律?；诳拐鹦阅茉O(shè)計的要求，提出不同抗震等級鋼框架對延性要求的假設(shè)，在此基礎(chǔ)之上，提出不同抗震等級和孔洞形狀條件下蜂窩梁擴高比限值。 基于以上成果，對蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計提供建議與參考，并對下一步研究指明方向。 主要創(chuàng)新點 本文研究的主要創(chuàng)新點如下： （ 1）本文通過分析蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)梁端塑性鉸產(chǎn)生位置的影響因素，首次探討利用蜂窩梁開孔造成的腹板削弱，使框架梁端塑性鉸由梁柱節(jié)點區(qū)域轉(zhuǎn)移至蜂窩梁端第一個孔洞位置的可行性，并分析蜂窩梁的孔洞形狀、擴高比、開孔位置等參數(shù)對蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)梁端塑性鉸的影響，得出蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)基于孔型形狀和擴高比的合理孔洞位置取值公式。 （ 2）本文通過國內(nèi)外規(guī)范的研究，特別是對我國抗震規(guī)范中多高層鋼結(jié)構(gòu)房屋不同抗震等級的構(gòu)造規(guī)定與國外規(guī)范的對比分析，首次提出抗震等級與框架延性 系數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系假設(shè)。并通過此種關(guān)系，分析并得出蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)蜂窩梁在不同抗震等級下的合理擴高比限值。 第二章 蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)有限元分析模型 引言 目前，最為常用的有限元分析軟件有 ABAQUS， ANSYS， MIDAS， SAP2020 等等 [65]。本文主要采用 ANSYS 非線性有限元分析軟件進行有限元模擬分析。 ANSYS 是一款具有強大的有限元分析功能的計算軟件，采用 APDL(ANSYS Parametric Design Language)參數(shù)化程序設(shè)計語言，可以快速方便地建立有限元分析模型， 較精確分析非線性問題，利用其所具有的后處理功能，可以方便直觀地提取所需的計算結(jié)果 [6672]。利用有限元分析軟件，可在試驗基礎(chǔ)之上，通過對有限元模型進行模擬分析來解決復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分析問題。特別是對于鋼結(jié)構(gòu)這種具有材料單一，各向同性等特點的結(jié)構(gòu)形式，更加可以利用有限元模擬分析，代替大量的試驗工作。 本文主要利用 ANSYS 中 APDL 程序設(shè)計語言編制命令流，對低周反復(fù)荷載作用下的蜂窩式鋼框架模型進行有限元分析。本章主要通過與已有試驗成果對比，建立基于試驗的蜂窩式鋼框架正確的有限元分析模型，為下文深入地分析與研究提 供可靠的有限元理論基礎(chǔ)。 蜂窩式鋼框架抗震性能試驗簡介 為了研究蜂窩式鋼框架在低周反復(fù)荷載作用下的破壞模式，受力機理和抗震性能，課題組于 2020 年 10 月在沈陽建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)工程試驗室完成了蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗研究， 根據(jù)要求對 單層單跨蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu) 進行擬靜力試驗 。試驗 對蜂窩式鋼框架在地震作用下的滯回性能、延性、剛度退化、吸耗能能力、節(jié)點域變形、破壞位置及形態(tài)進行研究。 試件材料力學(xué)模型 試驗蜂窩式鋼框架試件采用 Q235 鋼材制作， 材料屬性試驗試件 如圖 所示。試件 在沈陽建筑大學(xué)材料 力學(xué)實驗室進行拉伸試驗，測得試件材料性能平均值見表 。 （ a）材性試驗試件加工圖 （ b）材性試驗試件圖 （ c）試驗設(shè)備 圖 材性試驗試件及試驗設(shè)備圖 Fig Specimen and test equipment 表 材料性能 Table Material properties 鋼材牌號 鋼板厚度 /mm 平均屈服強度 fy/MPa 平均極 限強度 fu/MPa 彈性模量 E/MPa Q235B 6 325 ?105 8 ?105 12 ?105 試件尺寸設(shè)計 本試驗試件采用兩榀 跨度為 2340mm 的 蜂窩式鋼框架（ 命名為 A 榀 和 B 榀）組成空間結(jié)構(gòu)體系， 框架間距 1200mm，層高為 1600mm，柱腳 加焊 8mm 靴梁 。