•工程 结 构\"
地震荷载作用下新型削弱型梁柱节点力学特性研究
姜磊
(中铁十四局集团第一工程发展有限公司，山东日照\"76826)
【摘要】地震荷载作用下，梁柱节点焊缝处易造成脆性破坏，合理的钢梁开孔易引起梁柱节点应力外
移
。对此，文章提出了一种在翼缘及腹板均开孔的新型梁柱节点，并 力学性能，
力
了
结论:合理的开孔并
的
处
模拟分析了地 用下新型节
点的的承载能
力；开后的梁柱节点应力略
大于未开孔的节点；未开孔的节点应力最大位置位于 处，全焊缝处
，开孔后的节点应力最大位置位于翼缘开孔
；合的翼缘与腹板开孔在一定程度
；开孔后节点在全焊接部位的塑性区域
载
上可以降低节点全焊缝处脆性破坏的风险。
【关键词】地 【中图分类号】
工程建设中 建 ，
是
；
柱节点
；开孔；力学性能
【文献标志码】
TU352 A
具有延性好、易工、造美观、便于
作为其建筑
。在[1]。优势，造 的区域，
()翼缘削弱型节点
等优点，越来越多的建筑物选用
，开孔 节处
程中，由于线穿插，在 开孔不可避
的力学性能产 是开孔
在地震荷载作用下， 脆性破坏[2]。 得尤为重要。
目前， 已取得 孔可以 的整体性 塑性铰的
以上 和 腹板和
确新
节点往往难以发挥出
a
，研究削弱型梁柱节点在地震荷载作用下的力学响应显
开孔的削弱
节点力学性能的
：
定的成果。杨 [3]等对有 和试验研究
腹板开圆孔的钢框 波[4]等对腹板开孔
节点的受力性能，得出腹板开拟动力试验，得出腹板开孔后
丽[5]等
件破坏试验来有效的
节点的
腹
()腹板削弱型节点 图1
削弱型节点
“空腹梁”，得性铰外移，提抗震性能。李
有降低。 的部位，降低
于腹 弱情
件的力学性能，得出腹板开孔
发生脆性破坏的可能性。弱时节点的力学性能， 。
，
首先提出
开孔的新型节 弱
，并采用数值模拟的节点的力学特性，希望通
构
b
方法，开展了地震作用下新 开孔的设计施工提供新思路。
1
节点的抗震性能，从为
HW350 X 175 X7 X 11，钢材型号为Q345B钢。为避免应力集
中，开孔采用圆孔 ，开孔直径 为30 mm，腹为100
66。
! 2
新型削弱型节点及计算模型
-腹
计算模型的建
弱型节点见图2。
弱型节点和未削弱型节点的数值计算模型，
!1 新型削弱型节点
在 可
。目[6]:—是 (图 1)。
腹板和 与腹
建 ，
程中，由于管线穿插，在钢结构开孔不
节开孔的设计主要有
1型
弱的节点，另一种是腹板削弱的节点开孔可以提高钢结构节点的适应性，使
，合
开孔
，提出
1缘
节
别建
弱型节点和未削弱型节点的力学特性，得出开孔
力的影响。计采用ANSYS有 件，型
01+
钢采用SOLID45三维实体单元模拟。数值模
[定稿曰期]2018 -05 -19
m，
线穿插更加方便。
开孔的节
。选取梁柱节 为栓焊刚
[作者简介]姜磊（1977〜），男，本科，工程师，研究方
向为项目
施工
关
性连接，柱截面取为HW350 X 250 X 9 X 14,梁截面选为
。
188
四川建筑第38卷3期2018.〇6
•工程
! 3
钢材屈服准则
结 构\"
应力-应变关系曲线并非完全线性，可视为
弹塑性
，在力初期，
处于弹性
，当应力应变
视
达到一定数值后， 为理想的弹塑性体，
关系为-
屈服阶段。将
r
[&B =()翼缘开孔
& s s3 s
- 3y) 3
su
% & 3 s & 3 y
fy + \" a
^ y
3y & 3> & 3SU
式中:/y表示钢材的屈服强度；3y表示钢材的屈服拉应 变；.表示钢材的弹性模量；/s表示钢材的极限强度'
的极 计
应变。
3s
，可调用ANSYS中双线性随动强化模型
(BKIN)，材料的弹性模量为2. 06 x 1〇5 MPa，屈服应力取为 380 MPa。屈服后的切线模量取0. 2倍的弹性模量，即4 x 比* :卩8。! 4
地震荷载简化计算为了方便计算， 来
()腹板开孔
图2
翼缘-腹板共同削弱型节点（单位:
计中
把地震惯性力作为静力
，实现把地震荷载在一定程度上的合理简化，地震荷
如下-9 = *(')=
式中：/#(')则是加速度反应谱？3(')和地震动最大加
b
计
mm)
速度3之间的比值，
柱子高度1+ 6。计算过程中，对柱下端截面施加方 向的线位移约束，上端
G、F方向的约束，梁的上、下
4。
的是地震的时候 振动加速度扩
6方向的约束，计算模型见图3 ( 大的倍数;*为地震系数，是地震动峰值加速度和重力加速度 间的比值;=是重力荷载的代表值。
以一般跨度普
考虑 为2+75。
度
为主，地震烈度为7度，
地震作用。地震系数*为0+8,放大系数/#(')端
到
69.78 5N的重力，因
，计得出地震
荷载为325 kN，计算过程中，将地震荷载直接施加在钢梁远
的一端。2
翼缘-腹板削弱型梁柱节点
2.1钢梁位移分析
中
剪
力。
提
的抗 和腹
力，腹板提 开孔后，
的抗力
节在
出现一定的降低。荷作用下， 节点的
。
图3 未削弱节点计算模型
力。 上部
置
的变形可以反：柱
的变形，荷
：
中心等间距布置了 8个
后竖向变 果见图5。
图5
图4 削弱节点开孔细部
钢梁竖向变形计算结果
由计算结果可以看出，翼缘和腹板同时开孔后，钢梁的
四川建筑第38卷3期2018.〇6
1
•工程
竖向变形出现 低。未开孔的
结 构\"
的
力出现
定的
的增加，
大竖向位移为20. 4 mm，开孔后
6.9%。由此定的降低，但
的
；
的最大竖向位移为21.8 mm，竖向位移增 可以看出，开孔后 低程度不 力。
2.2应力分析
为 取了计 大小，
的
力出现
，合的开孔并不会明显的降低
地震荷载下开孔后，梁柱节应力转移 ，提
图8 未削弱型节点塑性区分布
果后的Mises应力，Mises应力可以反映主应力的判
的应力
。计
果见图6、图7。
图9
产
削弱型节点塑性区分布
比，削弱节点在全焊接
性区。与未削弱型节
部位的塑性区域 低，塑性区主要集中在开孔部位，因
低，破的延性
弱节点在全焊接部位脆性破坏的可能性 坏模式注
脆性破坏变为塑性破坏。考虑到
于焊缝部位， 增强。3
结论
地震荷载作用下，开孔易
图7
计
柱节
削弱型节点应力分布
地震荷载后，两
性 产 的新型节 抗震性能，得出
。 ，
节点的抗震性能在一定程度上出现
节 缝处易造成脆性破坏。钢
的力学性能和抗震在
和腹
开孔
节点应力外移，
提出
果可以看出，当梁端
数值模拟的方法 弱型节点的受力
新型节点的
，可以为
-节
在全焊接部位出现 定的应力集中，未弱型节
在全焊接部位出现
大应力为451 MPa。削弱节 应力集中外，
点设计及施工提供指导。
(1) 开孔后钢梁的 度不
，合理的开孔并不
果
得到了以下几
开孔部位也出现了应力集中现象，其中全力出现了一定的降低，但低程
的降低 ，开孔后的
的
力。
焊接部位最大应力为433 MPa，开孔部位最大应力为468
MPa，腹开孔后，腹提供的抗剪性
也出现 开孔后，
定的应力集中，底部 的应力
发
低， 部：(2) 应力 节点在地震荷载节点。未弱型节
大应力为406 MPa。
缝位置向
作用下产生的应力略大于未开孔的
移，最大应力 应力最大位置位于全焊缝处。削弱节点应力最大位置 移，位于
开孔处，全缝处应力降低。
比，削弱节点在全焊接部位的
外侧偏移。开孔后的梁柱节点在地震荷载作用下产生的应 力略大于未开孔的
移。由于 下，合理的 破坏的
。
节点，但大应力位置 性
缝处向外
(3) 与未削弱型节 塑性区域
于焊缝，所以地震荷载作用
低，塑性区主要集中在开孔部位。
与腹板开孔可以使应
与腹板开孔可以在一定程度上降低节点脆性
(4) 地震荷载作用下，合理的
力集中区域及塑性区外移，从而在一定程度上降低节点全焊 缝处脆性破坏的
。
2+ 塑性区分析
地震荷载下梁柱节点的塑性区分布可以进一
步明确削弱型节点和未削弱型节点的破坏模式，计算结果见
8、
9。
节
性区计
果可以看出，未弱型节
果
，这
：
参考文献
[1] 李国强，孙飞飞，沈祖炎.强震下钢框架梁柱节点焊接连接的
断裂行为[2]
性区主要集中在全焊接部位，与应力 力特点使得 节
性区发
）J *.建筑结构学报，1998，19 (4)-19 - 28.
连接的
性能破坏机理及抗震设
万祯.钢框
节点易在全焊部位发生脆性破坏。削弱移，主要集中在 抗 性 产
开孔处部位，腹
， 得腹 开孔处下部
计建议[].西安:西安建筑科技大学，2003.
(下转第193页）
D
开孔 下
190
四川建筑第38卷3期2018.〇6
•工程
阻尼比、
比、荷长度与
结 构•
跨度之比和车速，当各阶
的动力系数仅
模态阻尼比和荷载长度确定时，可以认为
与频率、车速和跨度相关。定义无量纲参数基频比，
图5表2
磁浮交通系统车桥动力仿真分析模型 简支梁跨中响应仿真值与实测值对比
运算结果，得到动力系数与基频比相关的散点图
烧度
(
km - h _1 )
仿
车速/
/mm
竖向速度/(
m.s_2)
(图 6)。
1.040-1
2#支 2#支 支 1#支
(〇~1#墩）(卜2#墩）(〇~1#墩）(卜2#墩）1#2.7712. 1632.7792. 1082.7692. 1742.7472. 1512.7412.0962.7242. 1162.7302.0902.7122.090
2.472. 1592.392. 1162.7462.0942.7392.0552.7362.0452.7282.0132.7132.0282.7272.014
轨
1.2031. 1501.0360.9551.2110.9721. 1240.8030.7670.20.6260.4500.5380.5050.5930.507
1.3801.2471.0360.81. 1210.8700.6350.6320.572
(1)
0.4740.6390.4590.7090.3350.5440.491
磁浮列车的运行速度较小时(c<100
小跨度简支梁的基频比较小，一般小于〇. 4。
(2) 在一定基频比 比的增大有增大趋势。
(3) 基频比一定时，简支跨中动力系数值处在与基频比成线性关系的两条线包络的区间内，包络线区间如图6所 示，包络线上限直线段公式为5 = 1 • 02 + 0• 02734 (0. 02 < 4 < 0.35)。若 上
线段
跨度、基
、设计
速，即可
络线
，简支跨中动力系数随基频
图6
由图6可知：
跨中位移动力系数
3.
+1/
毅眸只混
值
80
实值
仿真值70
实值
仿真值60
实值
仿真值50
实值
仿真值40
km/h)，线路
实值
仿真值30
实值
仿真值20
实值
仿真值10
实值
得出对应的最大动力系数值，作为设计参
考值。
照轮轨车桥动力响应中车辆及 计果均小于限值，
3.5 %
评价指标，以上
质
于目前中低速 容仅在
桥梁冲击效应研究轨 稱合作用问题
轨 熟， 不同与 的
，普
在车辆动载作用下的
中的一个重 轨作用下轨 发展 的轮轨 系数
的
应与
，其车 ，因各
容。目
的
应 ，
是车桥于中低速应
较
全桥
参考文献
度、
轨
应 轨
，尚处于发展初期，本文的基
初步探讨，
、基跨
容
5
展望
挠跨比1/4600,每
t设计具有
的动力性能。
的动力性能及
在一定程度上基于我院在南车株机中低速 工程建设及
果，但于该线为试验线，
关
果
验线上的
单一，步
。
在以后的商业运营线中
的作用方 在制定
车
各有不同。为
应
，在机厂试验线中，重关
。另
跨度及截面形
)1 ]
魏庆朝，孔永健.磁悬浮铁路系统与技术）].北京：中国科学
M
车辆车速、车质量、阻尼比、
技术出版社，2003-191 -197.
[2]吴祥明.磁悬列车[
等方面关系，提出 动力系数的主要参数有:各阶模
M].上海:上海科学技术出版社，2003.
(上接第190页）
[3][4]
杨庆山，李
，杨娜.梁腹板开孔钢框架梁柱节点的性能研究 [5]
，等.梁腹板开孔的钢框架抗震性能研究
[6]
[].工程力学，2007,24(9):111 -121. 李波，杨
，茹
[].工程力学，2009,26(1): -73.
丽，沈 学性
验
，殷占忠，等.钢框架梁腹板开孔型连接节点力[].工程力学，2006(6):65 -76.
J
J
J
有升.钢框 郁弱型节点的试验研究及理论分析
[].西安：西建筑科技大学，2008.
D
四川建筑第38卷3期2018.06
193