【正文】 6325812(a) 框架基本模型圖(b) 節(jié)點(diǎn)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(shù)設(shè)定 文獻(xiàn)[53]給出了蜂窩梁梁端第一個(gè)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(gè)孔洞中心距柱翼緣的距離，確定此參數(shù)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(shù)B來(lái)確定孔洞位置。參照文獻(xiàn)[52]和文獻(xiàn)[53]給出的取值建議，本文定義了參數(shù)K和B的取值范圍。 蜂窩式鋼框架參數(shù)范圍Table Parameter range of cellular steel frame第一組參數(shù)范圍/mmB=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(shù)范圍K=，K=，K=，K=，K=，K=，K=注:第一組參數(shù)范圍中，僅在K=~=600mm，僅在K=~=650mm,僅在K==700mm。 蜂窩式鋼框架節(jié)點(diǎn)部位參數(shù)示意圖Fig Parameters of cellular steel frame node 擴(kuò)高比和孔洞位置對(duì)蜂窩式鋼框架塑性鉸位置的影響 梁端塑性鉸產(chǎn)生的位置分析實(shí)腹鋼框架與蜂窩式鋼框架的屈服點(diǎn)較為接近，都在30mm左右達(dá)到屈服?？梢酝ㄟ^(guò)施加位移30mm時(shí)的蜂窩式鋼框架和未開(kāi)孔實(shí)腹鋼框架的塑性應(yīng)力云圖來(lái)分析框架的破壞形式。=，B=400mm蜂窩式鋼框架在水平荷載作用下節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力云圖。=。 (a) 加載位移10mm (b) 加載位移30mm (c) 加載位移60mm 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 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 實(shí)腹鋼框架節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖Fig Node stress cloud of mon steel frame 通過(guò)應(yīng)力云圖對(duì)比可以看出：在彈性階段（加載位移10mm），蜂窩式鋼框架和實(shí)腹鋼框架的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布和大小基本一樣。進(jìn)入塑性階段時(shí)（加載位移30mm），蜂窩式鋼框架梁柱連接處的應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢，孔洞處翼緣的應(yīng)力增長(zhǎng)較快，梁柱連接處和孔洞處都進(jìn)入塑性，但梁柱連接處的塑性范圍明顯比實(shí)腹鋼框架小。塑性階段（加載位移60mm），蜂窩式鋼框架節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力增長(zhǎng)大多集中在孔洞處，此處應(yīng)力范圍明顯增大，梁柱連接處應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢，而實(shí)腹鋼框架的塑性區(qū)域全集中在梁柱節(jié)點(diǎn)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(kāi)始，沿梁翼緣軸線(xiàn)，定義一條600mm長(zhǎng)路徑，顯示此路徑上的Von Mises應(yīng)力。比較可見(jiàn)，六邊形孔和圓形孔蜂窩式鋼框架梁端的應(yīng)力分布基本相同，最大應(yīng)力都產(chǎn)生于孔角對(duì)應(yīng)的翼緣處，而實(shí)腹鋼框架的最大應(yīng)力產(chǎn)生于梁柱連接部位。由于六邊形孔孔角應(yīng)力集中的影響，孔角處對(duì)應(yīng)的翼緣應(yīng)力比圓形孔大。(a) 六邊形孔蜂窩式鋼框架 (b) 圓形孔蜂窩式鋼框架(c) 實(shí)腹鋼框架 加載位移30mm下節(jié)點(diǎn)Von Mises應(yīng)力Fig Loading shift under 30 mm node Von Mises stress以上分析可知，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)孔洞位置合適時(shí)，蜂窩式鋼框架節(jié)點(diǎn)處的最大塑性區(qū)域一直處于蜂窩梁的第一個(gè)孔洞處，能夠利用蜂窩梁的開(kāi)孔，使框架節(jié)點(diǎn)塑性鉸外移。由于六邊形孔削弱程度比圓形孔大，孔角應(yīng)力集中現(xiàn)象也較為明顯，其孔洞處的塑性區(qū)域范圍比圓形孔更大。綜上所述，蜂窩式鋼框架可使塑性鉸由梁柱連接處轉(zhuǎn)移到梁上第一個(gè)孔洞處，其節(jié)點(diǎn)區(qū)域符合削弱型抗震節(jié)點(diǎn)特征。 擴(kuò)高比對(duì)梁端塑性鉸的影響現(xiàn)以B=400mm對(duì)應(yīng)的蜂窩式鋼框架，采用第二組參數(shù)范圍，即K=~，分析擴(kuò)高比對(duì)蜂窩式鋼框架梁端塑性鉸產(chǎn)生位置的影響。=400mm不同擴(kuò)高比對(duì)應(yīng)的梁上塑性鉸產(chǎn)生位置的結(jié)果。為了敘述方便，當(dāng)塑性鉸產(chǎn)生于梁柱連接處時(shí)，定義塑性鉸距柱翼緣距離為0，當(dāng)塑性鉸產(chǎn)生于孔洞處時(shí)，定義塑性鉸距柱翼緣的距離為孔洞中心距柱翼緣的距離。(a) 六邊形孔蜂窩式鋼框架(b) 圓形孔蜂窩式鋼框架 擴(kuò)高比對(duì)塑性鉸位置的影響Fig Expansion ratio impact plastic hinge location，擴(kuò)高比改變時(shí)，塑性鉸的產(chǎn)生位置也隨之改變，且六邊形孔和圓形孔在B=400mm時(shí)，擴(kuò)高比對(duì)其影響相同。，塑性鉸的位置出現(xiàn)在蜂窩梁第一個(gè)孔洞處，塑性鉸的位置在梁柱連接處?？梢?jiàn)，蜂窩梁的腹板削弱程度可以使孔洞處的抗彎強(qiáng)度小于梁柱節(jié)點(diǎn)，從而在孔洞處首先產(chǎn)生塑性鉸。，蜂窩梁的腹板削弱程度不足以首先產(chǎn)生塑性鉸，塑性鉸仍然出現(xiàn)在梁柱連接處。 孔洞位置對(duì)梁端塑性鉸的影響現(xiàn)以K=，采用第一組參數(shù)范圍，即B=250mm~650mm，分析孔洞位置對(duì)蜂窩式鋼框架梁端塑性鉸產(chǎn)生位置的影響。=。(a) 六邊形孔蜂窩式鋼框架(b) 圓形孔蜂窩式鋼框架 開(kāi)孔位置對(duì)塑性鉸位置的影響Fig Opening position impact plastic hinge location，當(dāng)開(kāi)孔位置改變時(shí)，塑性鉸的產(chǎn)生位置也隨之改變。當(dāng)六邊形孔B的范圍在300mm與600mm之間，圓形孔B的范圍在300mm和550mm之間時(shí)，塑性鉸的位置出現(xiàn)在第一個(gè)開(kāi)孔中心。當(dāng)B=250mm時(shí)，由于開(kāi)孔位置與孔洞距離較近，塑性鉸產(chǎn)生于孔洞中心后，即向梁柱連接處發(fā)展，可以認(rèn)為其對(duì)塑性鉸外移的作用不明顯。當(dāng)六邊形孔B=650mm，圓形孔B=600mm和B=650mm時(shí)，孔洞距梁柱節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，孔洞處塑性鉸產(chǎn)生晚于梁柱連接處，且孔洞處塑性區(qū)范圍小于梁柱連接處，對(duì)塑性鉸外移作用不明顯。六邊形孔可使塑性鉸轉(zhuǎn)移的B范圍比圓形大，原因在于六邊形孔孔角處應(yīng)力集中明顯，孔洞處產(chǎn)生應(yīng)力較大，且六邊形孔的削弱范圍比圓形孔大，因而在B較大時(shí)也能產(chǎn)生明顯的塑性鉸外移作用。 蜂窩梁孔洞位置的合理選擇現(xiàn)將兩組參數(shù)結(jié)合，分析不同擴(kuò)高比和孔洞位置參數(shù)對(duì)蜂窩式鋼框架梁上塑性鉸的位置的影響。 六邊形孔蜂窩式鋼框架梁上塑性鉸位置Table Location of plastic hinge of hexagonal holes cellular beam位置/mmB/mmK2500000000300003003000003500035035035035035040000400400400400400450004504504504504505000005005005005005500000550550550600―0000600600650――――0650650700――――――700 圓形孔蜂窩式鋼框架梁上塑性鉸位置Table Location of plastic hinge of circular holes cellular beamB/mm位置/mmK250000000030000300300300003500035035035035035040000400400400400400450000450450450450500000050050050055000000550550600―00000600650――――00650700――――――700對(duì)于六邊形孔和圓形孔，蜂窩梁孔洞對(duì)蜂窩式鋼框架塑性鉸產(chǎn)生位置影響不大，當(dāng)孔洞位置合理，蜂窩梁孔洞可以使蜂窩式鋼框架塑性鉸由梁柱節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移。為了便于設(shè)計(jì)，本文定義無(wú)量綱參數(shù)ζb，命名為梁孔高比，為蜂窩梁第一個(gè)孔洞到柱翼緣距離B與蜂窩梁擴(kuò)高后的高度H之比，即ζb=B/H?？梢?jiàn)，ζbmin接近于1，為了應(yīng)用方便，可以近似定義ζbmin為1。ζbmax變化較大，主要原因在于蜂窩梁擴(kuò)高后，由于腹板削弱所造成的蜂窩梁孔洞處應(yīng)力變化趨勢(shì)較為復(fù)雜。但是當(dāng)擴(kuò)高比在一定范圍內(nèi)時(shí)(≤K＜，≤K＜)，其近似隨著擴(kuò)高比增大而線(xiàn)性增加。當(dāng)六邊形孔K≥，圓形孔K≥，由于腹板削弱過(guò)大，在文獻(xiàn)[53]建議的B范圍內(nèi)，蜂窩式鋼框架可以不受孔洞位置的影響而明顯地使塑性鉸轉(zhuǎn)移到梁端孔洞處。 蜂窩梁孔洞處產(chǎn)生塑性鉸的B與ζbTable B and ζb which can make cellular beam produced at the plastic hinge孔型擴(kuò)高比Bmin/mmζbminBmax/mmζbmax六邊形300450300500350550350650350700圓形孔3004003004503001500350550350700可見(jiàn)，≤K＜，≤K＜，梁孔高比ζb的取值與孔型和擴(kuò)高比有關(guān)，在此定義α為擴(kuò)高比影響系數(shù)，β為孔型影響系數(shù)。當(dāng)利用蜂窩梁孔洞，使蜂窩式鋼框架塑性鉸首先產(chǎn)生于蜂窩梁孔洞處時(shí)，可以按公式（）確定B范圍。 （） （）式中：——梁端第一個(gè)孔洞中心到柱翼緣的距離；——蜂窩梁擴(kuò)高后的截面高度；——蜂窩梁擴(kuò)高比。擴(kuò)高后高度與原型鋼截面高度之比。六邊形孔，；圓形孔，；——梁孔高比；——擴(kuò)高比影響系數(shù)。六邊形孔，；圓形孔，；——孔型影響系數(shù)。六邊形孔，；圓形孔。當(dāng)六邊形孔K≥，圓形孔K≥，采用文獻(xiàn)[53]的建議，即按公式（）確定B范圍： （）式中：——梁端第一個(gè)孔洞中心到柱翼緣的距離；——蜂窩梁擴(kuò)高后的截面高度。 滿(mǎn)足孔洞位置要求的蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析通過(guò)前述的開(kāi)孔位置計(jì)算公式，可以在確定擴(kuò)高比和孔型的前提下，對(duì)蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)中蜂窩梁的開(kāi)孔位置進(jìn)行合理的選擇，從而利用蜂窩梁腹板孔洞是塑性鉸外移，達(dá)到“強(qiáng)柱弱梁”“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)要求。公式（）是利用單層單跨的蜂窩梁實(shí)腹柱鋼框架模型進(jìn)行推導(dǎo)得出的，而實(shí)際工程中，單層單跨的結(jié)構(gòu)形式并不多見(jiàn)，從而使公式的應(yīng)用存在局限性。不但如此，在利用此公式進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)際框架的抗震性能如何尚不明確。為了說(shuō)明這些問(wèn)題，本節(jié)利用多層多跨的蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)和普通實(shí)腹鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，分析在孔洞位置合理范圍內(nèi)的蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能。在單層單跨框架的基礎(chǔ)之上，再設(shè)計(jì)三層兩跨的蜂窩式鋼框架模型，截面尺寸同單層單跨相同。為了分析方便，取較為典型的模型進(jìn)行分析。，孔洞形式取六邊形和圓形，第一個(gè)孔洞位置取B=400mm，滿(mǎn)足公式（）的要求。 框架模型參數(shù)Table Model parameters孔型結(jié)構(gòu)形式擴(kuò)高比擴(kuò)高后梁尺寸/mm柱截面尺寸/mm第一個(gè)孔洞中心到柱翼緣距離/mm六邊形單層單跨與三層兩跨30020068300300812400圓形30020068300300812400實(shí)腹―30020068300300812― 破壞模式分析。，六邊形孔和圓形孔蜂窩式鋼框架的破壞模式都是梁鉸破壞，塑性鉸產(chǎn)生于梁端第一個(gè)孔洞位置。當(dāng)孔洞處的翼緣和腹板進(jìn)入塑性階段后，框架利用此處的塑性變形來(lái)吸收和消耗能量，應(yīng)力增長(zhǎng)都集中于孔洞部位，因此柱腳處和節(jié)點(diǎn)域應(yīng)力較小。六邊形孔的塑性變形比圓形孔大，主要是因?yàn)榱呅慰赘拱逑魅醮笥趫A形孔，產(chǎn)生的剪力次彎矩比圓形孔大，并且六邊形孔角部位的應(yīng)力集中較嚴(yán)重。而實(shí)腹鋼框架的變形主要集中在柱腳，呈現(xiàn)明顯的柱鉸破壞模式，加載后期柱腳屈服非常明顯。除柱腳以外，節(jié)點(diǎn)域的應(yīng)力也比蜂窩式鋼框架大。可見(jiàn)，當(dāng)滿(mǎn)足公式（）所建議的孔洞位置時(shí)，蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的破壞模式滿(mǎn)足“強(qiáng)柱弱梁”“、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的要求。(a) 六邊形孔框架整體破壞圖 (b) 六邊形孔框架節(jié)點(diǎn)破壞圖(c) 圓形孔框架整體破壞圖 (d) 圓形孔框架節(jié)點(diǎn)破壞圖(e) 實(shí)腹鋼框架整體破壞圖 (f) 實(shí)腹鋼框架節(jié)點(diǎn)破壞圖 單層單跨框架破壞圖Fig Destruction of onelayer and onespan frame。通過(guò)對(duì)比可以看出，三層兩跨的破壞模式與單層單跨基本相同，六邊形孔和圓形孔蜂窩式鋼框架由于蜂窩孔洞的影響，其破壞模式為梁鉸破壞。當(dāng)三層兩跨時(shí)，由于框架的耗