屈曲约束翼缘盖板连接的钢框架节点滞回性能研究_冯玉龙.pdf

第 53 卷 第 5 期2023 年 3 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.5Mar.2023DOI:10.19701/j.jzjg.20201046国家自然科学基金项目(51708166),中央高校基本科研业务费专项资金资助(JZ2019HGTB0086),中国博士后科学基金资助项目(2018M630706)。第第一一作作者者:冯玉龙,博士,副教授,主要从事结构工程和工程抗震研究,Email:feng_yulong 。通通信信作作者者:种迅,博士,教授,主要从事结构工程和工程抗震研究,Email:chongxun 。屈曲约束翼缘盖板连接的钢框架节点滞回性能研究冯玉龙,韦明途,种 迅,蒋 庆(合肥工业大学土木与水利工程学院,合肥 230009)摘要:为提升钢框架节点抗震性能,实现塑性铰转移、损伤集中和损伤构件的可更换,针对带悬臂梁段拼接节点,提出了一种屈曲约束翼缘盖板连接的钢框架节点。对 7 个系列共 14 个节点进行了数值模拟分析,对比了不同类型节点的性能差异并研究了关键设计参数对节点滞回性能的影响规律。结果表明,节点塑性变形集中在可更换的屈曲约束翼缘盖板上,滞回较为饱满且稳定;翼缘盖板与翼缘面积比增加时,节点承载力增加,但比值超过约 1/2时,梁柱可能出现损伤,难以实现损伤集中的设计目标;梁段间隙过大,翼缘盖板可能发生局部屈曲,建议控制其厚度与梁段间隙比值不低于 1/5;约束板约束范围达到 50%时,即能有效约束翼缘盖板;增加翼缘盖板削弱段长度,使梁段间隙偏心率在 00.25 区间时,节点滞回曲线变化不大,翼缘盖板损伤减小;当螺栓数量较少时,翼缘盖板在屈服耗能前会产生滑移,进而影响节点滞回性能;腹板近翼缘侧螺栓孔由圆形改为槽形时,可以改善腹板螺栓孔处应力状况。关键词:屈曲约束翼缘盖板;钢框架节点;数值模拟;滞回性能;损伤集中;参数化分析 中图分类号:TU391 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)05-0110-09引用本文 冯玉龙,韦明途,种迅,等.屈曲约束翼缘盖板连接的钢框架节点滞回性能研究J.建筑结构,2023,53(5):110-118.FENG Yulong,WEI Mingtu,CHONG Xun,et al.Study on hysteretic behavior of steel frame joints connected with buckling-restrained flange cover platesJ.Building Structure,2023,53(5):110-118.Study on hysteretic behavior of steel frame joints connected with buckling-restrained flange cover plates FENG Yulong,WEI Mingtu,CHONG Xun,JIANG Qing(School of Civil and Hydraulic Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)Abstract:To improve the seismic performance of steel frame joints and realize the transfer of plastic hinge,concentrated damage and replacement of damaged members,a kind of steel frame joint with buckling-restrained flange cover plates was proposed.A total of 14 joints in 7 series were numerically simulated.The performance differences between various types of joints were compared,and the influence of key design parameters on the hysteretic performance of the joints was studied.The results show that the plastic deformation of the joint proposed is concentrated on the replaceable buckling-restrained flange cover plate,and it exhibits a full and stable hysteretic performance.When the area ratio between the flange cover plate and the flange increases,the bearing capacity of the joints increases;however,the beam and column may damage,making it difficult to achieve centralized damage when the ratio exceeds about 1/2.If the gap between beam segments is too large,a local buckling may occur to the cover plate;and it is recommended to control the ratio of thickness of cover plate to the gap at least 1/5.The flange cover plate can be effectively restrained when the range of the restraining plate reaches 50%.When the eccentricity ratio of the gap is between 0 and 0.25 with increasing weakened segment length of the flange cover plate,the hysteretic curves of the joints change slightly,and the damage of the cover plates decreases.When the number of bolts is small,the cover plate will slide before yield,which will affect the hysteretic performance of the joint.When the bolt holes of the web flange near the flanges are changed from circular to grooved,the stress situation at the bolt holes of the web can be improved.Keywords:buckling-restrained flange cover plate;steel frame joint;numerical simulation;hysteretic behavior;concentrated damage;parametric analysis 第 53 卷 第 5 期冯玉龙,等.屈曲约束翼缘盖板连接的钢框架节点滞回性能研究0引言 1994 年北岭地震中,传统的钢框架节点未表现出人们希望的延性,而是发生了危险的焊缝处脆性破坏1。北岭地震之后,学者提出对梁端进行削弱或加强,以实现塑性铰的转移,避免焊缝处破坏,从而提升结构抗震性能。最初,由 Plumier2提出了梁截面削弱型节点,通过对梁截面进行局部削弱形成了安全可控的耗能区域。郁有升等3将翼缘削弱型节点与普通节点进行对比,指出削弱型节点可通过板件的局部屈曲形成塑性铰,延缓梁柱连接焊缝处的脆性破坏。与削弱型节点类似,加强型节点的设计意图也是避免焊缝和节点域的破坏4-5。削弱型和加强型节点需要对梁柱现场施焊连接,若焊接质量无法得到保障,节点性能难以发挥。为提高施工质量、缩短安装时间,有学者提出了带悬臂梁段拼接的节点。李启才等6指出带悬臂梁段拼接节点可通过翼缘拼接板的屈曲进行耗能,较传统焊接节点有更好的耗能能力及延性。文献7-8的研究表明,带悬臂梁段拼接节点可利用拼接区板件的滑移摩擦耗能,并有效提升节点延性。目前,为减少经济损失,实现震后结构功能的快速恢复成为地震工程领域的研究焦点9,在结构中设置可更换构件的思想被逐步应用于带悬臂梁段拼接节点的设计。邵铁峰等10基于损伤控制提出一种可更换角钢连接的钢梁,作为“保险丝”的角钢可以实现集中耗能。王萌等11指出带低屈服点钢材连接组件的钢框架节点可以实现预制装配功能和“结构保险丝”功能的叠加。贺修樟等12提出了一种耗能件非对称布置的可更换组合节点,试验结果表明,震后更换损伤的下翼缘角钢即可快速恢复结构的使用功能。可更换角钢或盖板连接节点利用塑性铰区板件的变形耗能解决了传统焊接节点脆性破坏、难以修复等问题,但不稳定的屈曲变形难以保证节点屈服后的承载力。文献13-15提出利用加劲肋、钢板等约束板件的变形以进一步提升节点抗震性能。本文针对带悬臂梁段拼接节点,对其翼缘盖板设置了屈曲约束系统,提出了屈曲约束翼缘盖板连接的钢框架节点,形成一种高延性、滞回曲线饱满、耗能性能稳定且功能易恢复的钢框架节点(图 1)。通过 ABAQUS 软件对节点进行数值模拟,主要分析节点滞回曲线及其耗能、板件变形、应力和损伤分布等数据,研究了翼缘盖板面积、梁段间隙、约束板约束范围、螺栓和腹板连接形式等参数对节点滞回性能的影响规律,并对节点的设计提出了一些建议。1屈曲约束翼缘盖板连接的钢框架节点 屈曲约束翼缘盖板连接的钢框架节点主要由框架柱、框架梁、悬臂梁以及屈曲约束翼缘连接组件组成,如图 1 所示。其中屈曲约束翼缘连接组件包括约束板、翼缘盖板、填充板(厚度大于翼缘盖板,以形成约束板与翼缘盖板之间的间隙)及高强螺栓,翼缘盖板包括连接段、过渡段与削弱段。翼缘盖板通过螺栓连接梁的翼缘,约束板和填充板通过螺栓分别与悬臂梁和框架梁的翼缘相连,形成了翼缘盖板的屈曲约束系统。框架梁与悬臂梁段之间设有梁段间隙,以保证节点的转动能力。图 1 钢框架节点示意图在地震作用下,节点弯矩主要由位于梁上下翼缘处的翼缘盖板承担,剪力则由腹板连接板进行传递;翼缘盖板会率先发生屈服,使得梁柱处于弹性状态,塑性变形集中于翼缘盖板的削弱段,耗散地震能量。与屈曲约束支撑设计理念相似,约束板可以限制翼缘盖板面外屈曲变形,使翼缘盖板发生屈服而不发生整体屈曲。震后可以通过更换损伤的翼缘盖板实现节点功能的快速恢复。2节点的设计2.1 基准模型设计 节点算例除翼缘盖板选用 Q235B 钢材以外,其余部件均选用 Q345B 钢材,框架梁柱以及悬臂梁的截面尺寸均为 H4883001118。基准模型节点翼缘盖板厚度 tcov为 10mm,腹板连接板、约束板和填充板的厚度分别为 14、18、11mm,除悬臂梁近翼缘处的 2 个螺栓孔为开槽长圆孔(槽长 20mm)之外,其余螺栓孔均为标准圆孔;为防止框架梁与悬臂梁翼缘过早接触挤压,梁段之间设置了 20mm 的间隙。翼缘盖板与翼缘采用 10.9 级 M24 摩擦型高强螺栓连接,填充板、翼缘及约束板采用 10.9 级 M16 摩擦型高强螺栓进行连接。图 2 为节点基准模型的尺寸详图,图中也标示了 2.2 节中需要变化的参数。111建 筑 结 构2023 年图 2 基准模型尺寸详图/mm表 1 各