1、第 39 卷第 1 期2023 年2 月结构工程师Structural EngineersVol.39，No.1Feb.2023“互”形节点钢框架抗震性能的有限元分析方郓龙 郁有升*（青岛理工大学土木工程学院，青岛 266525）摘 要 为研究“互”形节点钢框架的抗震性能，设计了三种不同节点形式的一榀两层单跨钢框架，分别为无悬臂梁段普通标准连接节点钢框架OSF、带悬臂梁段普通栓焊混合连接节点钢框架OHF和“互”形节点钢框架HXF，利用有限元软件ABAQUS对三种节点形式的钢框架进行了拟静力加载分析。同时，为分析P-效应对“互”形节点钢框架抗震性能的影响，对5种不同荷载工况下的“互”形节点钢框架
2、模型进行了有限元模拟。有限元分析结果表明：与其他节点形式钢框架相比，“互”形节点钢框架滞回曲线更加饱满，滞回环的面积更大，延性更好，刚度退化更慢，耗能能力更强。受P-效应影响，柱顶竖向荷载越大，“互”形节点钢框架的极限承载力和耗能能力下降越显著。在施加柱顶荷载时，柱顶集中力作用工况下的“互”形节点钢框架受P-效应影响更加显著，更符合真实的工况环境；梁上荷载对“互”形节点钢框架的极限承载力和延性影响较大，在设计时不应忽略。关键词 翼缘拼接板，耗能能力，刚度退化，P-效应Finite Element Analysis of Seismic Behavior of Steel Frame with“
3、HU”JointsFANG Yunlong YU Yousheng*（School of Civil Engineering of Qingdao University of Technology，Qingdao 266525，China）Abstract In order to study the seismic performance of steel frames with“HU”joints，a one-bay，two-story single-span steel frame with three different joints was designed，which were co
4、mmon bolt-welded mixed joint steel frame without cantilever beam OSF，OHF frame with cantilever beam，and HXF frame with“HU”joints.The finite element software ABAQUS was used to analyze the performance of three kinds of steel frames under quasi-static loading.In order to analyze the influence of P-eff
5、ect on the seismic performance of steel frames with“HU”joints，finite element simulations under five different loading conditions were carried out.The finite element analysis results show that the HU steel frames have fuller hysteresis curves，larger hysteresis loops area，better ductility，slower stiff
6、ness degradation and greater energy dissipation than other steel frames.Under the influence of P-effect，the ultimate bearing capacity and energy dissipation capacity of steel frames with HU joints decreased significantly with the increase of vertical load at the column top.The P-effect is more prono
7、unced under the action of concentrated forces at the column top that match the actual working conditions.Beam loading has a great influence on ultimate bearing capacity and ductility of the steel frame with“HU”joints，which should not be ignored in design.Keywords flange splicing plate，energy dissipa
8、tion capacity，stiffness degradation，P-effect收稿日期：2021-10-08基金项目：山东省自然科学基金项目（ZR2017MEE068）作者简介：方郓龙（1995-），男，山东枣庄人，硕士，研究方向为结构工程。E-mail：。*联系作者：郁有升（1976-），男，山东临沂人，副教授，主要从事钢结构方面的研究。E-mail：。DOI:10.15935/ki.jggcs.2023.01.009Structural Engineers Vol.39，No.1 Earthquake and Wind Resistance0 引 言 由于钢结构具有轻质高强、延性
9、和韧性好、装配化施工、施工周期短等特点，在工业和民用建筑中得到了广泛的应用。传统钢框架节点连接处一般采用现场焊接和栓接结合的方式，由于受各种因素影响，现场焊缝质量难以保障；在强烈地震作用下，梁端与钢柱翼缘连接的焊缝易开裂，钢框架尚未充分展现出塑性变形能力就发生脆性破坏1。为避免钢结构梁柱节点处发生脆性破坏，国内外学者进行了大量的试验和有限元研究，发现带有悬臂梁段的梁柱节点在地震作用下具有较好的耗能能力。“互”形梁柱节点是一种新型的带悬臂段的钢结构梁柱节点，这种节点可完全避免现场施焊，所有的焊缝均在工厂提前完成，现场仅需螺栓进行连接，且该节点有利于施工的定位安装，虽在部分施工现场会有所不便，但可
10、给某些特殊工程施工带来便利。目前国内外钢结构新型节点的研究已取得丰厚的成果，新型节点的抗震性能在试验和有限元的分析中得到了验证2-16，但针对钢结构抗震性能的研究大多局限于局部的钢结构节点，对于新型节点在钢框架中整体力学性能的研究较少提及17-18。为研究“互”形节点在钢框架中的整体抗震性能，利用有限元软件ABAQUS分别对无悬臂梁段普通标准连接节点钢框架OSF 图1（a）、带悬臂梁段普通栓焊混合连接节点钢框架OHF 图1（b）和“互”型节点钢框架HXF 图1（c）施加低周往复荷载，对比分析不同节点形式下钢框架的破坏模式、滞回性能、刚度及强度退化、耗能能力等抗震性能指标，同时分析了5种不同荷载
11、工况下“互”形节点钢框架的力学性能。1 试件设计 1.1截面尺寸初选根据 高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ 992015）19，设计了一个层高为 3.3 m、跨度为6 m的 2层钢框架，钢框架的平面布置图见图 2。参考国内外相关文献，钢梁的截面规格初步取为H350 mm180 mm8 mm10 mm，钢柱的截面规格初步取为H300 mm300 mm10 mm15 mm。1.2截面验算利用结构计算软件SAP2000对钢框架进行受力分析，计算杆件最大应力与屈服强度的比值（稳定计算控制应力比），判断结构中梁柱截面的设计是否满足要求。计算时的荷载参数为：楼面恒荷载5 kN/m2，活荷载 2 kN/m
12、2，抗震设防烈度为 8度，设计基本地震加速度峰值为0.20g，计算结果见图3。由图3可知，钢梁和钢柱应力比均小于1，钢梁和钢柱截面规格符合要求。故钢框架的钢梁截面规格取为H350 mm180 mm8 mm10 mm，钢柱截面规格取为H300 mm300 mm10 mm15 mm。2 有限元建模 2.1钢框架几何参数选取如图 2 所示的一榀两层单跨钢框架进行有限元建模，钢框架的节点分别采用无悬臂梁段普通标准连接节点、带悬臂梁段栓焊混合连接图1不同节点形式钢框架Fig.1Steel frames with different joints80 抗震与抗风 结构工程师第 39 卷 第 1 期节点和“
13、互”形节点。“互”形节点钢框架悬臂段和中间梁段的截面规格为H350 mm180 mm8 mm10 mm，钢柱的截面规格为 H300 mm300 mm10 mm15 mm，悬臂段的长度为400 mm，翼缘和腹板拼接板的细部尺寸见图4，翼缘拼接板厚度t1=12 mm，腹板拼接板厚度t2=10 mm。螺栓预留孔洞直径为21.5 mm，焊缝形式为三面角焊缝，焊脚高度为8 mm，其他节点形式钢框架钢梁和钢柱的截面尺寸与“互”形节点钢框架相同。2.2钢框架有限元建模采用有限元软件 ABAQUS 建立三种不同节点形式的钢框架模型，钢梁和钢柱均选用Q235B热轧H型钢，所有部件单元均采用C3D8I，即8节点六
14、面体线性非协调单元。焊缝材料选用E50，螺栓采用 M20的 10.9级高强螺栓，钢梁、钢柱等图4翼缘与腹板拼接板细部尺寸Fig.4Details of flange and web splicing plates图2平面布置图Fig.2Layout plan图3钢框架结构钢梁和钢柱应力比Fig.3Stress ratio of steel beam and column in steel frame structure81Structural Engineers Vol.39，No.1 Earthquake and Wind Resistance钢材的本构关系采用具有强化和下降段的三折线模型
15、图5（a），焊缝及螺栓材料采用二折线模型图5（b），具体材料属性见表1。钢柱和悬臂梁、悬臂梁与中间梁段、焊缝与钢材之间均为绑定约束，忽略焊接热对结构的影响；中间梁段与螺栓、拼接板与螺栓、悬臂梁与螺栓之间的接触均为硬接触，螺栓帽与钢材、拼接板与钢梁翼缘之间均考虑摩擦，摩擦系数为0.3。由于螺栓杆与螺栓孔洞之间的摩擦对有限元结果影响不大，为提高计算效率，不考虑螺栓杆与螺栓孔壁的摩擦对有限元结果的影响，所有的接触方式均为面面接触。为了更高效地得到较为精确的分析结果，钢框架在螺栓及预留孔洞处和梁柱节点处进行精细化网格划分，其他部分采用较为稀疏的网格11。如图 6所示，螺栓网格尺寸为 6 mm，拼接板、
16、有预留孔洞及距柱翼缘500 mm以内的钢梁网格尺寸为12 mm，其他部分网格尺寸为60 mm和80 mm。对钢框架模型的柱脚处施加x、y、z三个方向的约束，为防止模型发生平面外失稳，在钢梁两端及三分之一跨度处设置x方向的约束，在钢框架加载一端创建耦合约束，施加低周往复荷载。对钢框架进行单调加载，从得出的荷载位移曲线大致判断出钢框架的屈服位移，三种不同节点形式钢框架的屈服位移分别为40 mm、44 mm、52 mm，作为加载依据。2.3加载制度为保证有限元计算的收敛，采用位移控制加载，根据屈服位移对第二层的钢框架钢梁一侧耦合点施加水平低周往复位移，初始位移量为屈服位移的25%，之后每级位移增加25%，直至钢框架屈服，屈服前每级荷载循环1次，钢框架屈服后，每级位移的增量为屈服位移，屈服后每级荷载循环2次。对于OSF和HXF钢框架，需要先分四个分析步对螺栓施加155 kN的预紧力，然后再进行低周水平位移加载，三种不同节点形式钢框架的加载制度见图7。2.4有限元验证为了验证有限元模型的准确性，采用有限元软件 ABAQUS 对文献12中的一榀单跨两层扩翼图5钢材应力-应变关系Fig.5Stres