新型抗震節(jié)點(diǎn)對(duì)連續(xù)倒塌性能的影響

新型抗震節(jié)點(diǎn)對(duì)連續(xù)倒塌性能的影響

0結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌特性自英國羅納爾德p.morha聯(lián)邦大樓發(fā)生持續(xù)倒塌以來，結(jié)構(gòu)的持續(xù)坍塌一直受到工程公司的關(guān)注。1995年，美國俄克拉赫p.murha聯(lián)邦大樓和2001年紐約世貿(mào)中心的恐怖事件再次引起了各國科學(xué)家對(duì)持續(xù)坍塌的研究。美國土木工程學(xué)會(huì)（h.v.h.）對(duì)持續(xù)坍塌的定義是“結(jié)構(gòu)的局部破壞從一個(gè)部分?jǐn)U展到另一個(gè)部分，并最終導(dǎo)致整個(gè)或大范圍坍塌?！痹谶^去的10年里，許多國家加強(qiáng)了對(duì)結(jié)構(gòu)持續(xù)坍塌的研究，許多國家制定了具有抗連倒塌規(guī)定的建筑規(guī)范和防止連續(xù)坍塌的參考標(biāo)準(zhǔn)（例如bsi1997、asce2006、nb1995等）。其中，美國國防部（dod）和總務(wù)部（gsa）制定了抗彎坍塌結(jié)構(gòu)的詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)，并提出了可使用待開橋法的結(jié)構(gòu)抗彎坍塌能力。該方法假設(shè)結(jié)構(gòu)的重要組件（通常為支柱）失敗，并分析結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有負(fù)荷的作用下的內(nèi)力重分布，以確認(rèn)結(jié)構(gòu)是否能夠繼續(xù)承受現(xiàn)有的負(fù)荷。此外，研究結(jié)果表明，抗疲勞結(jié)構(gòu)的建筑在地震的作用下具有良好的抗彎能力。同時(shí)，它的抗彎能力（即使是由沒有抗疲勞動(dòng)的建筑物以外的抗彎能力）比未抗彎能力好，但抗結(jié)構(gòu)破壞能力的鋼框架節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)中的作用尚未得到研究。作者使用非線性有限法分析了三個(gè)支架的結(jié)構(gòu)破壞后的性能，并研究了鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)在柱子作用后的性能分布、塑料區(qū)分布和輪廓荷載。三個(gè)節(jié)點(diǎn)的力學(xué)能。1加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)1994年Northridge地震和1995年Kobe地震中鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)發(fā)生了脆性破壞,大多數(shù)破壞是由梁柱相交處梁下翼緣破口焊根部起始的裂紋引起的.為此,各國學(xué)者都提出了改善梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的多種方法,這些方法主要包括:使塑性鉸位置外移、處理梁翼緣焊縫襯板缺口效應(yīng)和改進(jìn)扇形切角構(gòu)造.其中,塑性鉸位置外移是改善梁柱節(jié)點(diǎn)的主要途徑之一.根據(jù)使塑性鉸位置從柱面外移的不同方法,把這類節(jié)點(diǎn)分為加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)和削弱型節(jié)點(diǎn).加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)是通過將節(jié)點(diǎn)部分局部加強(qiáng),使塑性鉸的位置出現(xiàn)在偏離節(jié)點(diǎn)的梁上,實(shí)現(xiàn)鋼框架結(jié)構(gòu)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)思想.這類節(jié)點(diǎn)主要有以下兩種型式:蓋板式節(jié)點(diǎn)和勁板式節(jié)點(diǎn).蓋板式節(jié)點(diǎn)(圖1(a))是通過局部加強(qiáng)梁柱節(jié)點(diǎn)處梁的上下翼緣而提高梁柱節(jié)點(diǎn)的延性,這種節(jié)點(diǎn)的缺陷是其蓋板和梁翼緣的焊接與監(jiān)測(cè)困難,特別是采用厚蓋板時(shí)將使破口焊很大,致使焊縫收縮、復(fù)原更加困難,同時(shí)更容易在梁翼緣和蓋板處產(chǎn)生更大的殘余應(yīng)力.勁板式節(jié)點(diǎn)(圖1(b))是在梁柱節(jié)點(diǎn)處梁的上下翼緣加治理勁板來提高節(jié)點(diǎn)的延性,這種節(jié)點(diǎn)避免了蓋板式節(jié)點(diǎn)的大破口焊,但焊接與監(jiān)測(cè)仍然存在問題,其造價(jià)相對(duì)較高.削弱型節(jié)點(diǎn)是保持梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)的原有構(gòu)造不變,對(duì)距離梁柱節(jié)點(diǎn)一定距離的梁截面進(jìn)行局部削弱,從而使塑性鉸的位置偏離節(jié)點(diǎn)區(qū)域.這類節(jié)點(diǎn)主要有以下兩種型式:翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)和腹板削弱型節(jié)點(diǎn).翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)(圖2(a)所示)是在梁的上下翼緣靠近節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行了削弱,其削弱部分梁起到一個(gè)保險(xiǎn)絲的作用,這種節(jié)點(diǎn)對(duì)梁進(jìn)行合理的削弱,使得較長的一段梁同時(shí)進(jìn)入塑性,真正做到了延性設(shè)計(jì)且充分發(fā)揮了鋼材的塑性;腹板削弱型節(jié)點(diǎn)(圖2(b)所示)是在梁腹板靠近節(jié)點(diǎn)處開孔,使梁腹板開孔處的抗彎能力低于節(jié)點(diǎn)的抗彎能力,從而使梁腹板開孔處在地震作用下先形成塑性機(jī)構(gòu),保證梁柱節(jié)點(diǎn)的彈性工作狀態(tài).這種節(jié)點(diǎn)可以使室內(nèi)管線從梁腹板空腔內(nèi)通過,降低建筑層高,進(jìn)而降低成本.2節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型2.1動(dòng)態(tài)高精度梁腹板開孔結(jié)構(gòu)的研究節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型共3類:標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)、翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)和腹板削弱型節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意圖見圖3所示.3種節(jié)點(diǎn)的梁柱截面尺寸相同,梁截面為H350×200×8×12,柱截面為□400×400×12×12.梁翼緣與柱翼緣采用對(duì)接焊縫連接,梁腹板通過高強(qiáng)螺栓和剪切板連接到柱翼緣上,柱內(nèi)設(shè)置加勁肋.文獻(xiàn)對(duì)翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并在試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上提出了一種翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)公式.筆者對(duì)翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)對(duì)翼緣削弱時(shí),按照文獻(xiàn)推薦的公式,控制尺寸為a=50mm,b=120mm,c=250mm.文獻(xiàn)通過有限元模擬并對(duì)比試驗(yàn)研究成果,對(duì)梁腹板開圓孔進(jìn)行了研究,提出了梁腹板開圓孔的設(shè)計(jì)方法.筆者對(duì)腹板開孔削弱時(shí),參照文獻(xiàn)推薦的公式,控制尺寸為R=105mm,b=330mm.2.2材料和標(biāo)準(zhǔn)有限元模型采用ANSYS通用有限元程序建立計(jì)算模型,節(jié)點(diǎn)尺寸和構(gòu)造如圖3所示.模型材料為Q345鋼,其屈服強(qiáng)度為345MPa,彈性模量為2.06×105MPa,材料模型曲線如圖4所示,泊松比取0.3.采用Von-Mises屈服準(zhǔn)則及相關(guān)流動(dòng)準(zhǔn)則,多線性隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則.標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)有限元模型如圖5所示,采用殼單元Shell181進(jìn)行建模,模型單元為四邊形,在梁翼緣和腹板削弱處的周圍細(xì)化網(wǎng)格.Shell181單元為4節(jié)點(diǎn)單元,適用于考慮幾何非線性的彈塑性分析.分析中主要考慮節(jié)點(diǎn)構(gòu)造對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響,忽略了節(jié)點(diǎn)焊縫、高強(qiáng)螺栓和焊接殘余應(yīng)力的影響.2.3節(jié)點(diǎn)有限元分析計(jì)算模型的邊界條件為梁柱節(jié)點(diǎn)一端按固定支座考慮,在模型的梁端加載,梁加載端到梁翼緣根部的距離為5.6m.對(duì)節(jié)點(diǎn)在兩種加載方式作用下節(jié)點(diǎn)的性能進(jìn)行有限元分析,兩種加載方式為:1)梁端施加豎向集中力,研究節(jié)點(diǎn)在彈性階段的應(yīng)力分布規(guī)律;2)梁端施加豎向位移,研究節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性階段后的應(yīng)力分布規(guī)律.3有限分析的結(jié)果3.1最大方面應(yīng)力對(duì)上述節(jié)點(diǎn)進(jìn)行彈性分析時(shí),考慮到削弱型節(jié)點(diǎn)抗彎能力的下降,在梁端施加36kN的豎向集中力,主要研究了上述3種不同節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的模型沿以下路徑的VonMises應(yīng)力分布:梁受拉翼緣外表面中線沿軸線方向.標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在梁翼緣根部,其最大VonMises應(yīng)力為198.3MPa;翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)最大VonMises應(yīng)力向外移,為317.6MPa,腹板削弱型節(jié)點(diǎn)最大VonMises應(yīng)力向外移,為222.1MPa.翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)和腹板削弱型節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力點(diǎn)均距梁根部240mm.圖6為梁翼緣受拉翼緣外表面沿軸線方向的應(yīng)力分布,取翼緣根部到距翼緣根部800mm處的應(yīng)力分布.梁翼緣截面應(yīng)力最大處是節(jié)點(diǎn)焊接容易產(chǎn)生破壞的位置,在焊接缺陷存在的情況下,節(jié)點(diǎn)會(huì)在最大應(yīng)力處發(fā)生裂紋擴(kuò)展,進(jìn)而造成節(jié)點(diǎn)的脆性破壞.所以降低節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中,減少節(jié)點(diǎn)的焊接缺陷,是防止節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞的重要措施.從上述分析可知,通過對(duì)靠近梁柱節(jié)點(diǎn)的梁段進(jìn)行局部削弱,可以使節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力外移,降低焊縫處的應(yīng)力水平,從而防止節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞.3.2節(jié)點(diǎn)焊接缺陷采用位移控制加載,使用增量加載方式及改進(jìn)的牛頓-拉婓遜法,對(duì)3種節(jié)點(diǎn)在梁端豎向集中力作用下進(jìn)行彈塑性分析,其中標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)和腹板削弱型節(jié)點(diǎn)在梁端豎向位移達(dá)到400mm時(shí)計(jì)算終止,翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)在梁端豎向位移達(dá)到300mm時(shí)計(jì)算終止.其荷載-位移曲線如圖7所示,橫坐標(biāo)為加載端的豎向位移,縱坐標(biāo)為相應(yīng)的豎向荷載.由圖7中的荷載-位移曲線可以看出,梁截面的翼緣或腹板削弱后,其彈塑性承載力有所下降,其中翼緣削弱型的節(jié)點(diǎn)降低較多,而腹板削弱型降低較少.對(duì)3種節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果表明,標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)首先在梁翼緣根部形成塑性區(qū)(如圖8(a)所示),隨著荷載的增加,梁翼緣塑性區(qū)向外移,并在柱中的加勁肋和梁腹板部分區(qū)域形成塑性區(qū).最后梁柱節(jié)點(diǎn)板域部分進(jìn)入塑性,從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)破壞.翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)在加載過程中,梁翼緣削弱處發(fā)生應(yīng)力集中,并首先進(jìn)入塑性(如圖8(b)所示).隨著荷載的增大,翼緣削弱處的腹板也進(jìn)入塑性,且梁翼緣的塑性區(qū)向截面削弱處的腹板擴(kuò)展,最后在梁翼緣最大削弱處梁翼緣與腹板塑性區(qū)貫通,節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞,此時(shí)梁柱節(jié)點(diǎn)板域的應(yīng)力水平較低,未進(jìn)入塑性.腹板削弱型節(jié)點(diǎn)在加載過程中,首先在梁翼緣根部和腹板削弱圓孔附近進(jìn)入塑性(如圖8(c)所示).隨著荷載的增大,梁翼緣根部和腹板削弱圓孔附近的塑性區(qū)擴(kuò)展,腹板削弱處的翼緣進(jìn)入塑性.最后在梁腹板削弱處梁翼緣與腹板塑性區(qū)貫通,節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞.通過計(jì)算,在忽略節(jié)點(diǎn)焊接缺陷的條件下,標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)和腹板削弱型節(jié)點(diǎn)的延性較好,且標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的承載力略高于腹板削弱型節(jié)點(diǎn),所以提高梁柱節(jié)點(diǎn)的焊接質(zhì)量,減少焊接缺陷,是保證節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度、延性的主要措施.同時(shí),通過對(duì)梁段進(jìn)行局部削弱,有利于節(jié)點(diǎn)受力性能的改善,防止節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞.此外,翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)的承載力下降較大,在一定條件下降低了結(jié)構(gòu)冗余度.4節(jié)點(diǎn)彈塑性分析針對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)的某一柱子失效后的受力特點(diǎn),利用非線性有限元理論,對(duì)3種型式的梁柱節(jié)點(diǎn)在豎向