斜交网格结构空间相贯焊接节点滞回性能的数值分析

 包树龙  李丽平  童冰强

 （长安大学，西安710064）

摘要：利用ABAQUS有限元软件对斜交网格结构中空间相贯节点进行分析，研究其在低周往复荷载下的延性、刚度退化、强度退化、耗能能力等性能，并通过分别改变斜交角度、竖向拉板厚度、横向连接板厚度、钢管半径与厚度之比（径厚比）等参数，分析其对节点滞回性能的影响。结果表明，此空间相贯焊接节点的延性和耗能能力良好，刚度退化和强度退化不明显。对抗震性能影响最大的因素是斜交角度，其次是钢管径厚比，影响最小的是竖向拉板

厚度和横向分隔板厚度。

关键词：斜交网格；空间相贯节点；滞回性能；有限元

DOI:10.13206/j. gjg201606012

 斜交网格结构将竖向承重与抗侧力结构合二为一，是充分发掘结构空间作用潜力的一种高效结构体系，近几年越来越多地被应用到实际建筑中。但由于斜交网格结构的节点处有包括4根斜柱在内的至少6根结构构件相汇，节点的构造设计与力学性能成为斜交网格结构能否广泛应用于工程实践的关键问题。目前，对空间相贯节点的静力性能研究较多，但对其滞回性能的研究接近空白。

 本文所研究的空间相贯焊接节点采用方小丹提出的广州西塔中某节点的数据作为原始数据，并采用李庆钢等提出的空间相贯焊接节点的构造方式，节点构造如图1所示。其中，钢管直径为299 mm，钢管壁厚为15 mm，竖向拉板和横向分隔板的厚度为30 mm，斜交角度θ为200。

1  有限元模型建立

 利用ABAQUS有限元软件对节点进行建模，钢管采用壳单元S4R，钢材弹性模量为2.06×1011Pa，泊松比为0.3，采用三折线本构关系。为减少应力集中，在加载端设端板，端板弹性模量为1 x1018Pa,泊松比为0. 001。斜交网格结构中斜柱主要承受轴力，结合Young-Ju Kim提出的拟静力加载制度，确定节点的边界条件如图2所示，加载制度如图3所示。在加循环荷载之前，给模型施加单调递增荷载，得出节点荷载一位移曲线，从而得出节点屈服位移△y（△y为4 mm）。各模型的参数如表1所示。

2结果分析

2.1  延性

 极限位移与屈服位移的比值称之为延性系数。根据Park法，取刚度为实际结构在75%极限强度处割线刚度的等效弹塑性系统的屈服位移，对于极限位移，取承载力下降到最大值的85%时的位移为极限位移。图4所示为各模型的骨架曲线。根据以上定义可以得到各模型的延性系数，计算结果如表2和表3所示。模型8和模型9负方向加载时没有达到承载力下降段，表中未列出其极限荷载、极限位移和延性系数。承载力下降未达到85%的模型，其极限承载力和极限位移取其加载结束时的数值。

 由表2、表3可见，模型9正方向的延性系数最大，模型8正方向的次之，模型3-模型6的延性系数一样，且最小。

2.2  强度退化

 在位移幅值不变的条件下，结构或构件承载力随荷载反复循环次数的增加而降低的特性称为强度退化。结构或构件的强度退化可以用第i循环强度退化系数来衡量，其表达式为：

 由图5可知，模型的前3级位移荷载作用下没有退化，之后λ2随加载位移的增加而降低。模型2的强度退化最大，λ2最小值达到0. 97。模型3-模型9都是在最后两级荷载作用下才有强度退化，且λ2值都是0. 99。其中模型3-模型5的退化趋势完全一样。

2.3割线刚度退化

 结构或构件在同一位移控制点下不同循环周次之间的刚度退化可以用割线刚度K i来表示：

 图6为模型1、模型8、模型9在第1、第2周循环荷载下的割线刚度曲线。可知，各模型的各周加载循环的割线刚度均随加载位移的增大而不断降低，且下降趋势都一样，最后都趋于稳定。在同一级位移荷载下，模型第1、第2周循环之间的刚度变化很小。说明刚度退化主要还是取决于反复加载位移幅值的大小。

2.4环线刚度退化

 结构或构件在不同位移控制点下的刚度退化可用环线刚度K j表示：

图7为模型1-模型9的环线刚度曲线。

 由图7可知，所有模型的环线刚度随加载位移的增大而逐渐降低，且下降趋势都是前期快后期趋于平缓。模型3-模型5的刚度下降走势基本一样。

2.5  能量耗散能力

 地震时，结构处于地震能量场内，地震将能量输入结构，结构有一个能量吸收和耗散的持续过程。当结构进入弹塑性状态时，其抗震性能主要取决于构件耗能的能力。滞回曲线中加荷阶段荷载一位移曲线下所包围的面积可以反映结构吸收能量的大小；而卸荷时的曲线与加载曲线所包围的面积即为耗散的能量。表4所示是各模型的滞回耗能，其中归一化滞回耗能是用模型屈服荷载与最后一周加载循环的峰值位移之积对总滞回耗能的无量纲化。

 由表4可以看出，模型5、模型6、模型7的归一化耗能能力最强，模型2、模型3、模型8、模型9次之，模型1最小。

 由对等效黏滞阻尼系数亭。的定义，求出各模型的等效黏滞阻尼系数，如图8所示。

 由图8可知，除模型9在第5级位移荷载处有下降外，各模型的等效黏滞阻尼系数随加载位移的增大而增大，且变化范围都在0. 25~0.55。各模型在前两级加载时的等效黏滞阻尼系数增长较快，后4级加载时，增长趋于平缓。

3  结束语

 1)斜交网格结构中空间相贯焊接节点在前3级低周往复位移荷载作用下的滞回环是弓形，在后3级位移荷载下的滞回环是梭形。说明该节点具有较好的延性和耗能能力。所有模型的骨架曲线在达到最大承载力后缓慢下降，呈延性破坏，且各模型的延性系数均大于2.8，强度退化系数均大于0. 98，刚度退化呈下凹型，且都趋于平缓，归一化总滞回耗能均大于12。

 2)斜交角度对节点的延性影响最大，钢管径厚比次之，竖向拉板和横向分隔板厚度影响最小，且斜交角度在500时，延性最大。

 3)斜交角度对节点强度退化和刚度退化影响最大，钢管径厚比次之，竖向拉板和横向分隔板厚度影响最小。当斜交角度为200时，刚度退化和强度退化最大；斜交角度为360时，刚度和强度基本没退化。强度和刚度退化随径厚比、竖向拉板厚度、横向分隔板的厚度的增大而降低，但变化趋势不明显。

 4)斜交角度和钢管径厚比对归一化总滞回耗能的影响最大，竖向拉板厚度和横向分隔板厚度次之。且当斜交角度为200时，归一化总滞回耗能最大。归一化总滞回耗能随径厚比的减小、竖向拉板厚度、横向分割板的增大而增大。