半剛性連接鋼框架的時(shí)程分析{免費}(一)

 

馬翠玲1，孫頌旦2，華建兵1，孫愛(ài)琴1

 

 

 

 (1. 合肥學(xué)院，合肥 230022；2. 宣城柏莊置業(yè)有限公司 ，宣城 242000)

 

 

 

[摘要] 為了探討不同梁柱節點(diǎn)鋼框架抗震性能的差別，本文結合工程實(shí)際設計了10個(gè)系列，共50個(gè)有限元試件，通過(guò)ANSYS分析軟件，對框架進(jìn)行時(shí)間歷程分析，來(lái)探討框架層數、框架跨數，尤其是梁柱連接節點(diǎn)的轉動(dòng)剛度等參數對鋼框架抗震性能的影響。分析表明：半剛性鋼框架結構在地震荷載作用下具有良好的抗震性能。 

 

 

 

[關(guān)鍵詞]半剛性鋼框架，地震荷載，有限元，時(shí)程分析

 

 

 

Time-history Analysis of Semi-rigid Steel Frames

 

 

 

MA Cuiling1,SUN Songdan2,HUA Jianbing1,SUN Aiqin1

 

 

 

(1. Hefei Univercity, Hefei 230022;   2,XuanchengBaizhuang Company Limited , Xuancheng 242000)

 

 

 

Abstract：In order to research of the seismic performance of semi-rigid steel frames, the paper design 10 series (altogether 50) of finite element analytic models. Furthermore, the time-history analysis is discussed in this paper to investigate the relations between frame parameters of semi-rigid steel frames, these parameters include the frame’s floor number, the frame’s span number and the frame’s damp, especially the rotation stiffness of beam-to-column connections.

 

 

 

Comparing with the steel frame structure, semi-rigid steel frame structure under seismic loading has a good seismic performance.

 

 

 

Keyword:  semi-rigid steel frame, earthquake load, finite element, time-history analysis

 

 

 

1.引言

 

 

 

鋼框架結構具有強度高，塑性、韌性好，重量輕，特別適合動(dòng)力荷載下工作的特點(diǎn)，在實(shí)際工程中鋼框架得到越來(lái)越廣泛的應用，其中梁柱節點(diǎn)是鋼框架中的關(guān)鍵連接部分。大量的試驗證明，在荷載作用下，鋼框架的實(shí)際梁柱連接性能總是介于理想的剛接和鉸接之間，即半剛性的連接。半剛性節點(diǎn)初始轉動(dòng)剛度[1]一般在600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-6481.png" width="137" height="23" />之間，具有較好的延性及耗能能力[2，3]，可以大大降低震害[4]。但是由于半剛性連接的復雜性和多樣性，相應的理論和試驗研究尚應進(jìn)行進(jìn)一步發(fā)展，本文的目的就是對半剛接鋼框架在地震作用下的力學(xué)性能，予以探討。

 

 

 

 

 

2.1例證(半剛接懸臂梁分析驗證)

 

 

 

為了驗證使用ANSYS軟件在組合結構有限元建模過(guò)程中的正確性以及使用建立的模型進(jìn)行分析計算的可靠性，通過(guò)對以下算例的計算，以驗證使用ANSYS軟件建模和計算分析的準確程度。

 

 

 

如圖1所示半剛接懸臂梁承受集中荷載，P1=20kN，P2=10kN。梁端采用半剛接，梁的長(cháng)度L=2000mm，梁的截面采用H200600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-6837.png" width="13" height="14" />150600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-31055.png" width="13" height="14" />6600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-9698.png" width="13" height="14" />8。計算懸臂梁的端部豎向位移。采用ANSYS計算與線(xiàn)性簡(jiǎn)化計算兩種計算方法，其結果見(jiàn)表1。觀(guān)察表中計算結果，兩種方法的計算結果非常接近。ANSYS分析中單元模型采用Beam189、COMBIN14單元。

 

 

 

600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-13555.png" width="484" height="147" />

 

 

 

圖1半剛接懸臂梁尺寸圖

 

 

 

    Fig.1 Semi-rigid cantilever beam size plan.

 

 

 

表1 半剛接懸臂梁ANSYS與線(xiàn)性簡(jiǎn)化計算結果對比表     單位:mm

 

 

 

Table 1 Comparative table between ANSYS and calculated results with the linear simplified   Unit:mm

 

 

 

2.2有限元框架的詳細參數

 

 

 

有限元框架結合工程實(shí)際建立，框架梁柱均為H型截面，材料均為Q235�？蚣茉嚰�截面尺寸詳見(jiàn)表2，表中所有框架試件的梁柱截面尺寸由3D3S軟件設計，設計依據如下：

 

 

 

 

 

 

表2 框架試件截面尺寸圖

 

 

 

Table 2  The section size for frame sample

 

 

 

2.2有限元框架的詳細參數

 

 

 

有限元框架結合工程實(shí)際建立，框架梁柱均為H型截面，材料均為Q235�？蚣茉嚰�截面尺寸詳見(jiàn)表2，表中所有框架試件的梁柱截面尺寸由3D3S軟件設計，設計依據如下：

 

 

 

 

 

 

表2 框架試件截面尺寸圖

 

 

 

Table 2  The section size for frame sample

 

 

 

2.2有限元框架的詳細參數

 

 

 

有限元框架結合工程實(shí)際建立，框架梁柱均為H型截面，材料均為Q235�？蚣茉嚰�截面尺寸詳見(jiàn)表2，表中所有框架試件的梁柱截面尺寸由3D3S軟件設計，設計依據如下：

 

 

 

 

 

 

表2 框架試件截面尺寸圖

 

 

 

Table 2  The section size for frame sample

 

 

 

2.2有限元框架的詳細參數

 

 

 

有限元框架結合工程實(shí)際建立，框架梁柱均為H型截面，材料均為Q235�？蚣茉嚰�截面尺寸詳見(jiàn)表2，表中所有框架試件的梁柱截面尺寸由3D3S軟件設計，設計依據如下：

 

 

 

 

 

 

表2 框架試件截面尺寸圖

 

 

 

Table 2  The section size for frame sample

 

 

 

2.2有限元框架的詳細參數

 

 

 

有限元框架結合工程實(shí)際建立，框架梁柱均為H型截面，材料均為Q235�？蚣茉嚰�截面尺寸詳見(jiàn)表2，表中所有框架試件的梁柱截面尺寸由3D3S軟件設計，設計依據如下：

 

 

 

 

 

 

表2 框架試件截面尺寸圖

 

 

 

Table 2  The section size for frame sample

 

 

 

2.2有限元框架的詳細參數

 

 

 

有限元框架結合工程實(shí)際建立，框架梁柱均為H型截面，材料均為Q235�？蚣茉嚰�截面尺寸詳見(jiàn)表2，表中所有框架試件的梁柱截面尺寸由3D3S軟件設計，設計依據如下：

 

 

 

 

 

 

表2 框架試件截面尺寸圖

 

 

 

Table 2  The section size for frame sample

 

 

 

2.2有限元框架的詳細參數

 

 

 

有限元框架結合工程實(shí)際建立，框架梁柱均為H型截面，材料均為Q235�？蚣茉嚰�截面尺寸詳見(jiàn)表2，表中所有框架試件的梁柱截面尺寸由3D3S軟件設計，設計依據如下：

 

 

 

 

 

 

表2 框架試件截面尺寸圖

 

 

 

Table 2  The section size for frame sample

 

 

 

2.2有限元框架的詳細參數

 

 

 

有限元框架結合工程實(shí)際建立，框架梁柱均為H型截面，材料均為Q235�？蚣茉嚰�截面尺寸詳見(jiàn)表2，表中所有框架試件的梁柱截面尺寸由3D3S軟件設計，設計依據如下：

 

 

 

 

 

 

表2 框架試件截面尺寸圖

 

 

 

Table 2  The section size for frame sample

 

 

 

 

2.5不同框架形式柱底剪力的比較

 

注：下列各圖中橫坐標時(shí)間下方的圖例3，4，5，6，600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-21540.png" width="29" height="16" />分別表示節點(diǎn)剛度分別為1×103、1×104、1×105、1×106kN·M/rad，600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-1202.png" width="29" height="16" />。

 

600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-10010.png" width="488" height="271" />

 

圖5單跨三層框架柱底剪力對比分析圖

 

Fig.5 Comparative analysis of shear at the end of column for three-storey single-span frame

 

由圖5可以看出：

 

(1)鋼框架柱底剪力時(shí)程曲線(xiàn)在地震波激勵時(shí)間內表現出一定的穩定性，應該是由于節點(diǎn)的半剛性使得梁柱端約束減少，在地震作用下結構的耗能能力和延性增加，對抗震有利。

 

(2)半剛接鋼框架柱底剪力峰值介于理想鉸接和完全剛接之間，時(shí)程曲線(xiàn)在激勵時(shí)間內比較穩定，半剛接鋼框架和完全剛接鋼框架可以有效地降低剪力。

 

(3)在地震加速度達到峰值之前，剪力時(shí)程曲線(xiàn)與地震加速度譜變化同步。 

 

600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-10200.png" width="488" height="283" />

 

圖6 框架柱底剪力隨剛度變化圖

 

Fig.6   Shear at the end of column with the stiffness change

表3不同框架形式的柱底剪力與節點(diǎn)剛度關(guān)系對比表

 

Table 3   Comparative analysis of  the shear at the end of column for different frame

 

由表3可知：

 

(1)結構層數增大，剪力數值隨之增大但變化趨勢沒(méi)有明顯不同。

 

(2)不論框架形式如何，柱底剪力極值隨節點(diǎn)剛度變化不明顯，其中單跨、三跨和雙跨六層框架的極值在節點(diǎn)剛度為105kN·M/rad時(shí)達到最小。

 

600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-8491.png" width="488" height="271" />

 

圖7 單跨三層框架柱底彎矩對比分析圖

 

Fig.7  Comparative analysis of moment at the end of column for three-storey single-span frame

 

 

 

 

 

表4不同框架形式柱底彎矩的對比分析表

 

Table 4 Comparative analysis of the moment at the end of column  for different frame

通過(guò)分析其他單跨六層、雙跨六層、雙跨九層、雙跨十二層、三跨六層框架形式，

 

圖7和表4可知：

 

(1)在地震激勵時(shí)間內，柱底彎矩時(shí)程曲線(xiàn)穩定性有所變化：?jiǎn)慰缌鶎�、雙跨九層、雙跨十二層、三跨六層結構呈現良好的穩定性，而單跨三層、雙跨六層框架不穩定。

 

(2)框架的層數、跨數對柱底彎矩時(shí)程曲線(xiàn)的幅值影響明顯但對峰值出現的時(shí)刻、往復變動(dòng)的次數影響不大。

 

(3)半剛接鋼框架的柱底彎矩隨節點(diǎn)剛度的增大而減小。

 

600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-26682.png" width="488" height="271" />

 

圖8 天津波作用下雙跨九層框架頂點(diǎn)位移對比分析圖

 

Fig.8  Comparative analysis of the top-level node displacement for nine-storey double-span frame Under the action of Tianjin wave

 

600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-18665.png" width="488" height="271" />

 

圖9  EL-Centro作用下雙跨九層框架底點(diǎn)剪力對比分析圖

 

Fig.9  Comparative analysis of the shear at the end of column for nine-storey double-span frame Under the action of El-Centro wave

 

通過(guò)對寧河天津波、EL-Centro波和遷安波分別作用下雙跨九層框架的頂層節點(diǎn)位移和底層節點(diǎn)剪力的對比分析，可以看到，同一節點(diǎn)剛度框架在不同地震激勵荷載作用下，結構的頂點(diǎn)水平位移和底層節點(diǎn)剪力是不同的。寧河天津波的頂點(diǎn)位移和底層剪力時(shí)程曲線(xiàn)是穩定的且較為稀疏，其次是EL-Centro波，最后是遷安波。并且，三種地震波作用下的位移值懸殊，剪力峰值差距保持在十倍以?xún)�。同時(shí)，雙跨九層框架諸參數的響應曲線(xiàn)往返波動(dòng)的頻率，幅值，方式各有其自身的特點(diǎn)。

 

 

通過(guò)對不同層數、跨數和節點(diǎn)剛度的框架的時(shí)間歷程分析，結果顯示：

 

(1)節點(diǎn)轉動(dòng)剛度取+600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-22651.png" width="17" height="14" />、106kN·M/rad時(shí)，框架的柱底剪力非常接近，可見(jiàn)節點(diǎn)轉動(dòng)剛度為106kN·M/rad時(shí)，可以認為是剛性節點(diǎn)。

 

(2)框架的層數、跨數對柱底彎矩時(shí)程曲線(xiàn)的幅值影響明顯但對峰值出現的時(shí)刻、往復變動(dòng)的次數影響不大。

 

(3)不同的鋼框架，隨著(zhù)節點(diǎn)轉動(dòng)剛度的降低，在地震荷載激勵下框架底層支座水平剪力降低。這些表明，隨著(zhù)節點(diǎn)轉動(dòng)剛度的降低，框架的整體剛度在下降，框架的延性增加，受力性能在一定程度上得到了改善。

 

(4)半剛框架柱底剪力的時(shí)程曲線(xiàn)在地震波激勵時(shí)間內表現出良好的穩定性，其穩定程度和框架的層數和跨數有一定關(guān)系，這是由于節點(diǎn)的半剛性使得梁端約束減少，梁柱節點(diǎn)有一定的轉動(dòng)能力，在地震作用下增加了結構的耗能能力和延性。因此半剛節點(diǎn)可以代替剛性節點(diǎn)用于抗震區的鋼框架設計，從而避免在地震時(shí)由于節點(diǎn)延性不足而產(chǎn)生焊縫開(kāi)裂所帶來(lái)的結構破壞。

 

  考  文  獻

 

[1]  鄭廷銀. 高層建筑鋼結構[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.

 

[2]  Elnashai AS, Elghazouli AY, Denesh-Ashtiani FA. Response of semi-rigid steel frames to cyclic and earthquake loads.   Journal of  Structure  Engineering ,1998,124(8):857-867

 

[3] .Miodrag Sekulovic , Ratko Salactic ,  Nonlinear analysis of frames with flexible connections.   Computer&Structures,2001,79:1097-1107

 

[4] Astaneh-asl A.   Seismic Performance and Design of Bolted Steel Moment-resisting Frames J. Engineering  Journal , AISE, 1999, 36(3):105-120

 

[5] 本格尼·s·塔拉納特。高層建筑鋼一混凝土組合結構設計[M]。北京:中國建筑工業(yè)版社1999.  

 

 

 

 

 

2008年度合肥學(xué)院院內自然科學(xué)研究項目(08KY025ZR) 

 

第一作者：馬翠玲(1980-),女，山東菏澤人，工學(xué)碩士，助教

 

通訊地址：安徽省合肥市蜀山區黃山路373號合肥學(xué)院建筑工程系，郵編:230022

 

聯(lián)系電話(huà)：15856905278/0551-2158465（辦）  E-mail: ling3701@163.com

 

 

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