【正文】 cellular steel frame overall destroy有限元模擬過程中，試件的應(yīng)力和塑性變形都集中在梁端孔洞處，特別是第一個(gè)孔洞處的應(yīng)力和塑性變形最為明顯。4Δy~5Δy過程中孔洞剪切變形明顯，有限元迭代不收斂而退出。2Δy~3Δy過程中節(jié)點(diǎn)域和柱腳應(yīng)力增大明顯，但是未出現(xiàn)屈服。 破壞形式對比在有限元模擬過程中，0Δy~；~1Δy循環(huán)過程中梁端第一個(gè)孔洞孔角處的腹板出現(xiàn)屈服，其他部位應(yīng)力較小。 有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比分析利用ANSYS的通用后處理器（POST1）及時(shí)間歷程后處理器（POST26）可以提取框架在任何加載過程中的應(yīng)力云圖、變形、在加載過程中各節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力變化情況以及荷載的變化情況等數(shù)據(jù)。框架抗震性能分析與靜力分析不同，破壞判定受承載力與變形兩個(gè)因素共同影響，參照前文試驗(yàn)過程中框架模型破壞的判定準(zhǔn)則，提出模擬破壞的判定準(zhǔn)則：(1)框架側(cè)向位移增加過程中，在極限荷載出現(xiàn)之后，荷載下降至極限荷載的85%以后；(2)框架側(cè)向位移增加過程中，即使荷載沒有下降至極限荷載的85%，結(jié)構(gòu)位移突然增大，結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)；(3)框架側(cè)向位移增加過程中，雖然荷載沒有下降至極限荷載的85%，也沒有出現(xiàn)下降段，結(jié)構(gòu)也沒有發(fā)生整體失穩(wěn)，但是有限元非線性計(jì)算不收斂無法計(jì)算下去。試驗(yàn)中兩榀蜂窩式鋼框架采用斜支撐和梁上鋼板保證平面外穩(wěn)定，有限元模型采用約束節(jié)點(diǎn)和框架梁Z向的自由度模擬平面外穩(wěn)定，使其只在平面內(nèi)運(yùn)動。 試驗(yàn)蜂窩式鋼框架有限元建模模型Fig Finite Element Modeling of cellular steel frame 邊界條件和加載制度為使有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，應(yīng)該按照試驗(yàn)的實(shí)際情況設(shè)置模型邊界條件和進(jìn)行加載。 基本模型的建立基本模型采用先建關(guān)鍵點(diǎn)，連接成線，再由線生成面的建模方法。SHELL181單元包含了橫向剪切變形效果[49]。ANSYS軟件的單元性質(zhì)表明：使用該單元不推薦選擇三角形的單元形狀，本文中的節(jié)點(diǎn)模型均使用四邊形單元進(jìn)行有限元建模。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度，分別是三個(gè)平動自由度ux、uy、uz和三個(gè)轉(zhuǎn)動分量θx、θy、θz。本文采用SHELL181單元（4節(jié)點(diǎn)殼體單元，適用于薄到中等厚度的殼體結(jié)構(gòu))建立蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行分析。（a）試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d裝置圖 （b）現(xiàn)場試驗(yàn)裝置圖 （c）試驗(yàn)作動器裝置圖 （d）柱腳固定裝置圖 （e）柱間支承 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)裝置圖Fig Test model and test equipment實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)下述情況可判定框架破壞[73]：(1)框架側(cè)向位移增加過程中，在極限荷載出現(xiàn)之后，荷載下降至極限荷載的85%以上；(2)框架側(cè)向位移增加過程中，即使荷載沒有下降至極限荷載的85%，結(jié)構(gòu)位移突然增大，結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)；(3)上述兩種情況均未發(fā)生，但試件局部破壞嚴(yán)重，不適宜繼續(xù)加載。兩榀框架節(jié)點(diǎn)處，設(shè)置兩臺250kN作動器（分別命名為1號作動器和2號作動器）用以施加水平荷載。5角鋼形成X型柱間支撐，以保證框架的平面外穩(wěn)定性。每榀框架通過錨栓固定在地面上，并在試件平面內(nèi)加裝約束裝置，防止試驗(yàn)過程中，框架柱腳發(fā)生位移，影響試驗(yàn)結(jié)果。8205。8正六邊形邊長58框架柱H185205。100205。為保證梁柱連接的鋼性，節(jié)點(diǎn)處焊接邊長90mm三角形隅撐。12，以60mm為半徑切割兩個(gè)圓形孔洞，圓心距柱底端分別為900mm和1240mm。125205。梁端第一個(gè)孔洞中心距柱翼緣間距為208mm，中部蜂窩孔心間距為174mm。6205。蜂窩梁采用切割后錯(cuò)位焊接的方式制作，原型鋼為HW100205。（a）材性試驗(yàn)試件加工圖 （b）材性試驗(yàn)試件圖 （c）試驗(yàn)設(shè)備 材性試驗(yàn)試件及試驗(yàn)設(shè)備圖Fig Specimen and test equipment 材料性能Table Material properties鋼材牌號鋼板厚度/mm平均屈服強(qiáng)度fy/MPa平均極限強(qiáng)度fu/MPa彈性模量E/MPaQ235B6325812 試件尺寸設(shè)計(jì)本試驗(yàn)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。 試件材料力學(xué)模型試驗(yàn)蜂窩式鋼框架試件采用Q235鋼材制作。 蜂窩式鋼框架抗震性能試驗(yàn)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(jī)理和抗震性能，課題組于2010年10月在沈陽建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)工程試驗(yàn)室完成了蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究，根據(jù)要求對單層單跨蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)。本文主要利用ANSYS中APDL程序設(shè)計(jì)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(jìn)行有限元分析。利用有限元分析軟件，可在試驗(yàn)基礎(chǔ)之上，通過對有限元模型進(jìn)行模擬分析來解決復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分析問題。本文主要采用ANSYS非線性有限元分析軟件進(jìn)行有限元模擬分析。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(kuò)高比限值。 主要創(chuàng)新點(diǎn)本文研究的主要創(chuàng)新點(diǎn)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(diǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)移至蜂窩梁端第一個(gè)孔洞位置的可行性，并分析蜂窩梁的孔洞形狀、擴(kuò)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(kuò)高比的合理孔洞位置取值公式?；诳拐鹦阅茉O(shè)計(jì)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(kuò)高比限值。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(shí)腹柱鋼框架進(jìn)行有限元模擬分析，分析孔洞形狀、擴(kuò)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(kuò)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。 (a) 蜂窩梁與實(shí)腹柱 (b) 蜂窩梁與蜂窩柱 蜂窩式鋼框架 Cellular steel frame (a) 蜂窩梁與實(shí)腹柱連接節(jié)點(diǎn) (b) 蜂窩梁與蜂窩柱連接節(jié)點(diǎn) 蜂窩式鋼框架節(jié)點(diǎn)形式Fig Frame joints of cellular steel frame 本文的研究內(nèi)容、方法及創(chuàng)新點(diǎn) 主要研究內(nèi)容及方法本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，以文獻(xiàn)[52]試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，利用ANSYS有限元分析軟件，建立由蜂窩梁與實(shí)腹柱組成的蜂窩式鋼框架有限元分析模型，對其進(jìn)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(kuò)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(jì)和工程應(yīng)用提供參考。通過前述的蜂窩構(gòu)件優(yōu)點(diǎn)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?？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(qiáng)柱弱梁的抗震結(jié)構(gòu)體系，并確定具體的設(shè)計(jì)方法。此種結(jié)構(gòu)形式既屬于改進(jìn)型框架節(jié)點(diǎn)，但是，單純的將框架梁端進(jìn)行切割孔洞，不但施工較為繁瑣，也增加了建筑造價(jià)。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(diǎn)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(hù)梁柱連接區(qū)域；三是翼緣加強(qiáng)型連接（蓋板式連接、翼緣板式連接），此種節(jié)點(diǎn)的思路與前一種相反，通過梁柱連接部位的翼緣加強(qiáng)，可以使梁柱連接處強(qiáng)于框架梁其他部位，地震作用下，使加強(qiáng)部位不先于其他部位破壞，保護(hù)梁柱連接區(qū)域；四是梁端腹板開孔型節(jié)點(diǎn)（梁腹板開孔式連接），此種節(jié)點(diǎn)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(hù)梁柱連接部位。 傳統(tǒng)栓焊連接節(jié)點(diǎn)Fig Boltweld connection通過對歷次震害的研究，國內(nèi)外推薦了各種改進(jìn)式節(jié)點(diǎn)形式。采用栓焊連接?？梢?，利用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。因?yàn)楦拱鍖Ψ涓C梁慣性矩貢獻(xiàn)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(fèi)用，利于施工工廠化和機(jī)械化的要求，考慮到利用蜂窩梁所形成的優(yōu)勢，總體造價(jià)也不會有提高。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(diǎn)形式，也是一種切實(shí)可行的辦法?？梢?，我國建議在高設(shè)防烈度區(qū)域使用狗骨式節(jié)點(diǎn)。此種方法的原理是將梁端的翼緣進(jìn)行局部削弱，使梁端削弱處的抗彎承載力低于梁柱節(jié)點(diǎn)域和框架柱，從而使其在地震作用下先于梁柱節(jié)點(diǎn)域和框架柱屈服，形成塑性鉸，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。后一種方法可以很好的實(shí)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(jià)提高過多。要達(dá)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(qiáng)框架柱剛度來實(shí)現(xiàn)，或是通過對改進(jìn)框架節(jié)點(diǎn)形式，人為設(shè)定塑性鉸出現(xiàn)位置來實(shí)現(xiàn)。增強(qiáng)框架的延性方法有很多，（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(jī)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。 增強(qiáng)框架延性延性反映了框架結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性后的變形能力。 (a) 梁鉸機(jī)制 (b) 柱鉸機(jī)制 (c) 混合機(jī)制 (d) 節(jié)點(diǎn)破壞 框架破壞機(jī)制Fig Failure mechanism of the Frame鑒于以上幾種破壞機(jī)制的特點(diǎn)，現(xiàn)今國內(nèi)外普遍控制鋼框架結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下形成梁鉸機(jī)制，即通過設(shè)計(jì)使框架形成“強(qiáng)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。對于鋼結(jié)構(gòu)來說，節(jié)點(diǎn)破壞還包括梁柱連接焊縫破壞?；旌蠙C(jī)制的抗震性能介于梁鉸機(jī)制和柱鉸機(jī)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(xiàn)，使結(jié)構(gòu)不致發(fā)生倒塌。當(dāng)柱端截面形成塑性鉸后，對整體框架的剛度影響很大，極易造成框架倒塌。柱鉸機(jī)制：在地震作用下，薄弱層的框架柱柱端截面首先達(dá)到屈服，形成塑性鉸。在這種機(jī)制下，各層的層間位移變化較為均勻，可以保證在梁端截面無需太大的塑性轉(zhuǎn)動的情況下，使整體框架承受較大的延性位移。 框架結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制在罕遇地震作用下，框架結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制有四種，分別為梁鉸機(jī)制、柱腳機(jī)制、混合機(jī)制和節(jié)點(diǎn)破壞[56]。在強(qiáng)震作用下，保持結(jié)構(gòu)仍處在彈性范圍內(nèi)是非常不經(jīng)濟(jì)的，也是沒有必要的，世界各國規(guī)范都允許在地震作用下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性變形，這不僅是從經(jīng)濟(jì)方面考慮，也能使結(jié)構(gòu)在地震作用下通過塑性變形吸收消耗能量，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抵御強(qiáng)烈地震的能力。前者為“耗能或延性”的設(shè)計(jì)思路，主要通過結(jié)構(gòu)的延性性能和耗能能力吸收并耗散地震能量；后者為“彈性承載力超強(qiáng)”的設(shè)計(jì)思路，主要通過彈性承載力抵御地震作用，并通過高阻尼耗散地震能量[55]。延性與耗能能力是評價(jià)框架抗震性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。對上述因素進(jìn)行逐一的改進(jìn)，可以明顯地增強(qiáng)鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。 增強(qiáng)框架抗震性能的方法一種新型框架結(jié)構(gòu)形式的抗震性能優(yōu)劣，是其能否全面推廣的主要因素之一。只有確定了這些參數(shù)的具體設(shè)計(jì)方法，才能精確的確定蜂窩梁的構(gòu)造尺寸，繼而利用傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法完成蜂窩鋼框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，必須根據(jù)蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，探索蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)特有的設(shè)計(jì)方法?？锥吹南魅?，勢必造成蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)無法簡單參照普通鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用。但是，要想形成蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)體系的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，尚有很多研究內(nèi)容需要深入探索。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)總結(jié)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，國內(nèi)外學(xué)者對蜂窩式鋼結(jié)構(gòu)的研究，主要集中于蜂窩梁和蜂窩柱等單獨(dú)的構(gòu)件之上，已經(jīng)就其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等靜力方面，滯回性能、動力特性等動力方面，進(jìn)行了很多卓有成效的研究工作，并取得了豐碩的研究成果。結(jié)果表明，相對于柱上第一個(gè)孔洞，梁上第一個(gè)孔洞的位置對節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響更為顯著。同年，沈陽建筑大學(xué)王瑞鋒[53]在碩士學(xué)位論文《蜂窩式鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)靜力性能分析》中，對六邊形孔、正方形孔、圓形孔蜂窩式鋼框架節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型進(jìn)行模擬分析，得出不同孔型的蜂窩梁、蜂窩柱孔洞位置的合理取值范圍，并提出了蜂窩式鋼框架節(jié)點(diǎn)中蜂窩梁和蜂窩柱截面的正應(yīng)力和剪應(yīng)力計(jì)算公式。結(jié)果表明，蜂窩式鋼框架具有良好的延性和抗震性能。而且，腹板開圓孔的鋼框架會在強(qiáng)震作用下，形成標(biāo)準(zhǔn)的延性框架破壞模式。2007年和2009年，北京交通大學(xué)楊慶山[5051]采用試驗(yàn)有限元相結(jié)合的方法對腹板開圓孔的節(jié)點(diǎn)與框架抗震性能進(jìn)行分析。2009年，沈陽建筑大學(xué)王健[49]在碩士學(xué)位論文《蜂窩式梁柱鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析》中，對蜂窩式鋼框架進(jìn)行了抗震性能模擬分析，分析了在低周反復(fù)荷載作用下，蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的延性、耗能能力、節(jié)點(diǎn)變形及效應(yīng)對框架層間側(cè)移的影響。同年，沈陽建筑大學(xué)張麗[47]在碩士學(xué)位論文《蜂窩壓彎構(gòu)件平面外的承載力計(jì)算》中，通過計(jì)算不同擴(kuò)高比的蜂窩梁彈性彎扭屈曲臨界荷載，分析擴(kuò)高比對其彈性彎扭屈曲臨界彎矩的影響，并提出了在純彎狀態(tài)下的蜂窩梁整體穩(wěn)定計(jì)算式；對比擴(kuò)高前后的蜂窩壓彎構(gòu)件彈性彎扭屈曲臨界荷載，提出擴(kuò)高比和孔洞形狀對其的影響，給出可應(yīng)用于蜂窩式壓彎構(gòu)件平面外穩(wěn)定性計(jì)算的計(jì)算公式。同校的邵永波、劉洪波、謝禮立[4445]對楔形蜂窩壓彎和懸臂構(gòu)件進(jìn)行了靜力性能分析，得出了楔形蜂窩構(gòu)件的近似計(jì)算模型。張卓[41]分析了純彎狀態(tài)下蜂窩梁腹板的局部穩(wěn)定性，得出孔洞高度和寬度