【導讀】新型鋼框架結構體系。不但具有傳統(tǒng)鋼框架結構的技術優(yōu)勢，而且可以充分利用蜂窩。梁節(jié)省鋼材，自重較輕等等優(yōu)點。采用蜂窩式鋼框架結構，可以減小柱子與維護材料。的使用，管道由蜂窩孔洞處穿越，可以降低建筑層高。因此，將其利用于多高層建筑。中，可以取得較好的綜合效益。輕，從而可以進一步降低結構的地震反應。的整體抗震性能影響規(guī)律尚未明確。迄今為止，國內外對蜂窩式鋼結構的研究主要集。具體的研究內容及結論如下：。窩梁擴高比限值。

　　

【正文】 56789剛度/kNmm1位移/mm 試驗 模擬 （ a） A 榀 框 架與模擬剛度 曲線 0 10 20 30 40 50 603456789剛度/kNmm1位移/mm 試驗 模擬 （ b） B 榀 框架 與模擬剛度 曲線 圖 試驗與模擬 剛度曲線 Fig The contrast of stiffness curve 耗能能力對比 耗能能力是評估框架抗震性能的重要指標之一。滯回曲線越飽滿，框架在地震作用下的耗能能力越強 [76]。本文引入等效粘滯阻尼系數 he 來分析框架的耗能能力。等效粘滯阻尼系數 he 可利用圖 中滯回曲線一個滯回環(huán) ABCDA 所圍面積與三角形 OBE和 ODF 面積和之比進行計算 [77]，具體計算公式見公式（ ）。 圖 等效粘滯阻尼系數示意圖 Fig Equivalent viscous damping coefficient )()(e 2hODFOBEABCDASS??? ? () 式中： eh ——等效粘滯阻尼系數。 )(ABCDAS ——滯回環(huán)的包絡面積。 )( ODFOBES ? ——三角形 OBE 和 ODF 面積和。 兩榀試驗框架所得的滯回環(huán)包絡面積分別為 SA=， SB=，模擬所得的滯回環(huán)包絡面積為 S 模擬 =。兩榀試驗框架所得的等效粘滯阻尼系數分別為 heA=， heB=，模擬所得的等效粘滯阻尼系數為 he 模擬 =。模擬試件的耗能能力優(yōu)于試驗試件，原因是模擬過程中未考慮初始缺陷和焊接質量對框架 的不利影響，因而模擬所得滯回曲線更為飽滿，等效粘滯阻尼系數比試驗值大。 本章小結 本章首先對蜂窩式鋼框架擬靜力試驗進行了簡單的介紹，然后利用大型有限元分析軟件 ANSYS 對試驗中的 試件進行全過程非線性有限元模擬分析。材料性能和邊界條件等因素完全按照實際試驗過程進行模擬。通過與試驗所得的試件破壞形式、滯回曲線、骨架曲線、延性、剛度退化曲線、耗能能力進行對比分析，驗證了有限元模擬方法的正確性和有效性，為下一步的模擬分析打下了基礎。 第三章 蜂窩式鋼框架結構合理蜂窩孔洞位置分析 引言 在地震作用下，理論上應控制鋼框架結構的塑性鉸一般出現在梁端，梁端塑性區(qū)域的塑性發(fā)展容易引起梁端焊縫發(fā)生脆性的斷裂。導致這種破壞的原因主要有兩個方面：一是焊縫周圍為焊接熱影響區(qū)域 [78]，此區(qū)域具有比 型鋼母材更硬的組織，變形能力比型鋼母材的變形能力要差；二是焊縫缺陷處應力集中程度較高，加上焊縫本身所具有的缺陷及焊縫區(qū)域鋼材的延性降低，可能導致焊縫發(fā)生不穩(wěn)定斷裂 [79]。連接部位焊縫的破壞，極易影響整體結構的安全。避免這種破壞形式的主要方法為： 通過嚴格的焊縫質量控制，使焊接質量滿足設計要求； 采取合理的構造措施，避免焊接區(qū)域產生過大的應力。前一種措施，對于工廠機械化和工業(yè)化加工來說，較易得到滿足。但是對于現場施焊的條件下，受制于工人技術以及現場施工條件的限值，焊縫質量難以保證。后一種措施，以翼緣加強 型節(jié)點和削弱式節(jié)點為代表，從設計角度改善梁柱連接構造，即從根本上減小了此種破壞發(fā)生的概率，值得推廣。 蜂窩梁 實腹柱鋼框架結構，是蜂窩式鋼框架結構的主要結構形式。此種結構是將蜂窩梁與實腹柱連接而成。前述試驗試件和模擬試件的破壞過程可以看出，蜂窩式鋼框架結構的破壞過程為蜂窩梁梁端第一個孔洞位置翼緣屈服。此種破壞形式符合 美國SAC 機構所推薦的延性鋼框架破壞形式 ，屬于滿足“強柱弱梁”“強節(jié)點弱構件”基本抗震要求的框架形式，也能避免梁柱連接區(qū)域應力過大。但是，如果蜂窩梁第一個孔洞太早破壞，或是其在地震作用下，塑性變 形過快，會使蜂窩式鋼框架無法抵抗罕遇地震，甚至在多遇地震作用下即造成無法修復的破壞。因而，孔洞的位置，特別是第一個孔洞的位置，是蜂窩式鋼框架抗震性能的主要影響因素之一。 蜂窩式鋼框架可以利用蜂窩梁本身所具有的腹板開孔，形成梁端局部削弱，從而使框架節(jié)點滿足削弱型節(jié)點模式。利用蜂窩式鋼框架的此種特有的結構形式，可以在不增加額外加工費用和制造成本的前提下，使塑性鉸由梁柱連接區(qū)域轉移到梁端第一個孔洞位置，既不會產生普通框架梁柱連接節(jié)點那樣在地震作用下，由于節(jié)點域破壞而導致整體結構的破壞，又不會產生像傳統(tǒng)翼緣削弱式節(jié) 點（狗骨式節(jié)點）那樣，削弱翼緣從而造成框架梁抗彎能力的過大損失，還可以利用蜂窩梁本身所具有的諸多優(yōu)點，降低結構造價。國內學者曾對梁腹板開圓孔節(jié)點 [50]與框架 [51]進行過研究，研究成果也表明應用此種節(jié)點形成的框架相比普通鋼框架的優(yōu)勢。然而，單純在梁端開圓孔進行局部削弱以形成腹板開圓孔的節(jié)點或框架，不如直接利用蜂窩梁來形成削弱式節(jié)點所產生的優(yōu)勢大。 本文將主要研究利用蜂窩梁孔洞形成削弱式節(jié)點的可行性，以及孔洞參數對其滿足“強柱弱梁”“強節(jié)點弱構件”要求的影響規(guī)律 ,探索可利用蜂窩梁孔洞削弱使塑性 鉸外移的蜂窩梁 合理參數選擇。 建立有限元模型 框架尺寸設計 文獻 [52]的試驗與模擬模型是縮尺的，為了更加貼近工程實際，現設計足尺的框架模型。尺寸的確定經過構件截面的初選和 PKPM 結構軟件校核兩步完成。 PKPM 結構設計軟件中 STS 模塊是 中國建筑科學研究院開發(fā)的集平面空間于一體的以鋼結構計算為主導的鋼結構計算程序 。應用 STS 模塊可便捷準確地對設計的鋼結構框架模型進行校核。 STS 校核時的工況取值如下：總層數為 7 層，層高 3600mm，開間為 6000mm，進深為 4000mm，橫向為 3 跨，縱向為 5 跨，基本風壓取 為 ，地面粗糙程度取 C 類，恒荷載標準值取為 ，活荷載標準值取為 2kN/m2，樓板采用 C30 混凝土，厚度為 100mm， 7 度設防，設防分組為第一組。設計和校核時，蜂窩梁采用未擴高之前的截面，即原型鋼截面，這樣可以在滿足基本承載力要求的前提下，對設計截面進行擴高分析。設計得到的由原型鋼梁組成的原型鋼框架截面尺寸見表 。 表 足尺框架構件截面尺寸 （單位： mm） Table Section size of frame member 名稱 結構形式 跨度 層高 梁截面尺寸 柱截面尺寸 原型鋼框架 一層一跨 6000 3600 200 200 6 8 300 300 8 12 在設計好原型鋼框架截面尺寸后，根據文獻 [52]所建議的擴高比范圍，按照擴高比K=~ 對原型鋼梁進行擴高，形成蜂窩梁，從而組成蜂窩梁 實腹柱鋼框架。具體的蜂窩梁參數見表 。 表 蜂窩梁參數 Table Cellular beam parameters 擴高比 原型鋼高度 /mm 200 200 200 200 200 200 200 擴高后高度 /mm 260 270 280 290 300 310 320 圓形蜂窩孔半徑 /mm 60 70 80 90 100 110 120 六邊形蜂窩孔邊長 /mm 127 有限元基本模型建立 根據表 和表 所確定的框架模型參數和蜂窩梁參數，建立一層一跨的有限元分析模型。由于需要控制軸壓比，模擬過程中需要在框架柱上施加集中荷載。為了使框架柱上施加的集中荷載均勻的向下傳遞，借鑒試 驗中使用的方法，在框架柱頂部延 伸出高度為 300mm 的加載端，加載端上設置剛性域，防止柱頭頂端局部破壞，影響加載精度。通過柱頭加載，控制框架軸壓比為 。蜂窩梁上按照腹板削弱處極限承載力的 50%施加均布荷載?？蚣艿膸缀文Ｐ徒⒁院筮M行單元網格的劃分，劃分網格時，單元大小盡量均勻，過度平緩?？蚣艿募s束與試驗和前述模擬相一致，在框架節(jié)點域平面外施加 Z 方向平動約束，限制框架平面外的位移，即模擬實際工程中次梁和支撐的作用，在框架柱腳施加全部六個方向的自由度，模擬實際工程中柱腳剛接。有限元計算模型見圖 。 有限元 分析所使用的計算方法和屈服準則等與前述模擬分析相同，模型所用鋼材的材料屬性與試驗所用鋼材相同，具體材料屬性數據如表 所示。 表 材料性能 Table Material performance 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 (a) 框 架基本模型圖 (b) 節(jié)點域約束和柱頭剛性域 (c) 柱腳約束 圖 有限元模型圖 Fig Finite element model 蜂窩式鋼框架參數設定 文獻 [53]給出了蜂窩梁梁端第一個孔洞中心距柱翼緣距離取值的建議范圍，為 B=（ ） H。此處 B 表示蜂窩梁梁端第一個孔洞中心距柱翼緣的距離，確定此參數后，在一定的切割工序條件下，蜂窩梁孔洞位置就可以確定了。因而本文仍采用參數B 來確定孔洞位置。參照文獻 [52]和文獻 [53]給 出的取值建議，本文定義了參數 K 和 B的取值范圍，如表 所示。蜂窩式鋼框架節(jié)點部位參數示意圖如圖 所示。 表 蜂窩式鋼框架參數范圍 Table Parameter range of cellular steel frame 第一組參數范圍 /mm B=250， B=300， B=350， B=400， B=450， B=500， B=550， B=600（ K=~）， B=650(K=~), B=700(K=) 第二組參數范圍 K=， K=， K=， K=， K=， K=， K= 注 :第一組參數范圍中，僅在 K=~ 時取 B=600mm，僅在 K=~ 時取B=650mm,僅在 K= 時取 B=700mm。 圖 蜂窩式鋼框架節(jié)點部位參數示意圖 Fig Parameters of cellular steel frame node 擴高比和孔洞位置對蜂窩式鋼框架塑性鉸位置的影響 梁端塑性鉸產生的位置分析 實腹鋼框架與蜂窩式鋼框架 的屈服點較為接近，都在 30mm 左右達到屈服?？梢酝ㄟ^施加位移 30mm 時的蜂窩式鋼框架和未開孔實腹鋼框架的塑性應力云圖來分析框 架的破壞形式。圖 和圖 是六邊形孔和圓形孔 K=， B=400mm 蜂窩式鋼框架在水平荷載作用下節(jié)點處的應力云圖。圖 是 K= 對應的實腹鋼框架在水平荷載作用下節(jié)點處的應力云圖。 (a) 加載位移 10mm (b) 加載位移 30mm (c) 加載位移60mm 圖 六邊形 蜂窩式鋼框架節(jié)點應力云圖 Fig Node stress cloud of hexagon B400 cellular steel frame (a) 加載位移 10mm (b) 加載位移 30mm (c) 加載位移60mm 圖 圓形 蜂窩式鋼框架節(jié)點應力云圖 Fig Node stress cloud of circular B400cellular steel frame (a) 加載位移 10mm (b) 加載位移 30mm (c) 加載位移60mm 圖 實腹鋼框架節(jié)點應力云圖 Fig Node stress cloud of mon steel frame 通過應力云圖對比可以看出：在彈性階段（加載位移 10mm），蜂窩式鋼框架和實腹鋼框架的節(jié)點應力分布和大小基本一樣。進入塑性階段時（加載位移 30mm），蜂窩式鋼框架梁柱連接處的應力增長緩慢，孔洞處翼緣的應力增長較快，梁柱連接處和孔洞處都進入塑性，但梁柱連接處的塑性范圍明顯比實腹鋼框架小。塑性階段（加載位移 60mm），蜂 窩式鋼框架節(jié)點處的應力增長大多集中在孔洞處，此處應力范圍明顯增大，梁柱連接處應力增長緩慢，而實腹鋼框架的塑性區(qū)域全集中在梁柱節(jié)點處。在塑性階段，六邊形孔孔 洞處塑性區(qū)域比圓形孔較大。 利用 ANSYS 中路徑顯示的功能，由梁端梁柱連接處開始，沿梁翼緣軸線，定義一條 600mm 長路徑，顯示此路徑上的 Von Mises 應力。圖 為三種框架在加載位移為 30mm 時此路徑上的應力圖。比較可見，六邊形孔和圓形孔蜂窩式鋼框架梁端的應力分布基本相同，最大應力都產生于孔角對應的翼緣處，而實腹鋼框架的最大應力產生于梁柱連接部位。 由于六邊形孔孔角應力集中的影響，孔角處對應的翼緣應力比圓形孔大。 0 100 200 300 400 500 600120140160180200220240應力/MPa距柱翼緣距離/mm 0 100 200 300 400 500 600120140160180200220240應力/MPa距柱翼緣距離/mm (a) 六邊形孔蜂窩式鋼框架 (b) 圓形孔蜂窩式鋼框架 0 100 200 300 400 500 600120140160180200220應力/MPa距柱翼緣距