《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》 (CECS102∶2002) ^[1]是现行门式刚架施工和设计的主要依据, 但是其对蜂窝门式刚架节点的设计和构造没有具体的规定, 这在一定程度上制约了蜂窝式构件在我国的推广使用^[2]。本文采用ABAQUS软件建立12个Γ形节点模型, 模拟扩张比、节点连接形式、开孔距离3个因素对试件受力性能的影响, 并对其中2个试件进行了试验研究。

　　 试件尺寸设计满足“蜂窝构件端部至第一个蜂窝孔的静跨距宜大于250mm和蜂窝孔孔距应不小于100mm”的构造要求^[3,4,5]。蜂窝节点对柱 (梁) 受力的影响范围主要产生在2倍的端板高度 (长度) 范围内, 并考虑梁 (柱) 上开孔个数, 因此设计柱高为1 233mm, 梁长为1 450mm。模拟试件及试验试件用钢材强度等级为Q345B, 试件参数见表1。本文模拟为位移加载, 每级加载位移幅值下循环1次, 直到试件发生破坏, 试件的位移加载制度见图1。

　　 由于受试验条件、资金、人力等一系列外在因素的制约, 本文只对模拟试件FWS25390, FWS25773进行了试验研究, 试验试件编号为YFWS25390, YFWS25773。

　　 由于门式刚架自身存在自重以及屋面荷载, 因此模拟试验时需要考虑柱轴压力的作用。由于柱轴压力存在偏心初始弯矩, 初始弯矩与正向加载所产生的弯矩方向相同, 这种情况对柱负向受力存在不利影响;试件反向加载时产生的弯矩可先抵消柱轴压力产生的初始弯矩再作用于试件, 这对试件正向加载有利, 每一级位移幅值作用下加载机制与模拟循环位移加载机制相同 (图1) , 每级位移幅值循环一次, 试验加载装置见图2。

　　 试验试件YFWS25390, YFWS25773 (图3) 与模拟试件FWS25390, FWS25773 (图4) 采用I25a, Q345B级钢, 具有相同的外形尺寸。

　　 试验试件YFWS25390, YFWS25773与模拟试件FWS25390, FWS2577滞回曲线对比如图5所示。由图可知, 本文模拟试件的滞回曲线与试验试件的滞回曲线相吻合。

　　 试验试件YFWS25390, YFWS25773与模拟试件FWS25390, FWS25773承载能力如表2, 3所示。由表2, 3可知, 试验试件YFWS25390的极限承载力小于YFWS25773的极限承载力, 而YFWS25390的极限位移大于YFWS25773的极限位移。这一试验结果与模拟试验结果相同。

　　 通过以上比较可知本文有限元模拟的结果与试验结果吻合较好, 说明本文有限元模拟方法可靠性强, 并且能够很好地反映工程中节点的受力性能。

　　 由12个试件在梁端位移荷载U₂=70mm情况下的von Mises应力及变形可知:1) 试件的破坏形式均是由局部屈曲导致结构的整体破坏, 破坏的过程属于延性破坏。2) 扩张比为1.52的蜂窝式构件的破坏都集中在梁的开孔处, 而扩张比为1.4的蜂窝式构件破坏发生在节点域的中心处, 实腹式试件基本上没有发生屈曲破坏, 三者的破坏形式不一样。3) 试件的屈曲程度随试件扩张比的增加而增大;节点处端板平放与端板竖放时极限承载力和刚度差别较大, 后者明显优于前者;开孔距离小的试件屈曲程度降低, 开孔距离越大则试件的削弱形式减弱。典型试件的von Mises应力云图见图6。

　　 通过对比12个试件的滞回曲线 (限于篇幅仅列出具有代表性的4个试件的滞回曲线见图7) , 分析扩张比、节点连接形式、开孔距离3个因素对节点抗震耗能能力、变形特性、刚度退化等性能的影响。

　　 (1) 实腹式试件的滞回曲线相对饱满, 其耗能能力和延性相对蜂窝式试件均较好;但实腹式试件与蜂窝式试件相比, 极限承载力和刚度降低。

　　 (2) 对比孔洞中心距节点域距离为390, 773 mm的两组蜂窝式试件, 两者极限承载力相差不大, 但随着孔洞中心距节点域距离的减小, 试件的延性明显下降, 耗能能力、抗震能力也有所下降。这是因为孔洞中心距节点域近, 腹板开孔数量多, 对腹板的削弱程度增大, 抗弯刚度小, 相应的塑性性能降低。

　　 图6 典型试件的von Mises应力云图/MPa

　　 扩张比对12个试件的骨架曲线的影响如图8所示。随着扩张比的增加, 试件的屈服荷载、刚度、强度也相应增加;扩张后蜂窝试件的延性小于实腹试件, 说明实腹式试件可以达到延性破坏。

　　 节点连接形式对12个试件的骨架曲线的影响如图9所示。由图9可知, 经过扩张后的试件受节点连接形式的影响不是很明显, 而未经过扩张的试件受节点连接形式的影响明显。由图9 (c) , 9 (d) 可以看出, 端板竖放试件的极限承载力和刚度明显大于端板平放试件。

　　 开孔距离对12个试件的骨架曲线的影响如图10所示。蜂窝式试件随着开孔距离的增加, 节点的弹性受力阶段加长, 试件的极限承载力增大。12个试件骨架曲线对比见图11。由图11可知, 加载初期12个试件骨架曲线均为线性。说明在加载初期试件刚度不变, 没有出现刚度退化现象, 12个骨架曲线从内到外直线段逐渐变长。

　　 反映到扩张比上, 扩张比为1.52的蜂窝式试件的弹性阶段长于扩张比为1.4的蜂窝式试件。说明蜂窝试件扩张比对节点的屈服荷载有较大影响, 扩张比越大, 屈服荷载越大。

　　 反映到节点连接方式上, 端板竖放蜂窝试件的弹性阶段长于端板平放蜂窝试件。说明节点连接方式对节点屈服荷载有比较大影响, 端板竖放蜂窝式试件屈服荷载大于端板平放蜂窝试件。

　　 反映到开孔距离上, 开孔距离为773mm的蜂窝式试件的弹性阶段长于开孔距离为390mm的蜂窝试件。说明开孔距离对节点的屈服荷载有较大影响, 开孔距离为773mm的蜂窝试件的屈服荷载大于开孔距离为390mm的蜂窝试件;在非线性弹塑性阶段, 12个试件都开始发生塑性变形。

　　 试件非线性弹塑性阶段刚度都有所降低;在塑性阶段, 蜂窝式试件屈服后的塑性变化按从先到后的顺序为SFP16, SFS16, FWP16390, FWS16390, FWP16773, FWS16773, SFP25, SFS25, FWS25390, FWP25390, FWS25773, FWP25773, 说明蜂窝式试件扩张比、节点连接方式和开孔距离对试件延性和极限承载力有一定的影响。随着扩张比增加, 试件延性降低而极限承载力增加。同时节点连接形式对试件的延性和承载力的影响还与试件的扩张比有关:扩张比为1.4时, 端板竖放试件延性小于端板平放试件, 端板竖放试件承载力大于端板平放试件;扩张比为1.52时, 节点端板竖放试件延性、承载力均大于节点端板平放试件, 随着开孔距离增加, 试件延性降低而极限承载力增加。

　　 本文考虑材料塑性性能, 弹塑性变形超出弹性极限范围, 故刚度采用结构的等效刚度K, 公式为:

　　 式中:K_ij为第i次加载第j次循环的等效刚度;+Q_ij, -Q_ij分别为第i次加载第j次循环的正、负峰值荷载;+Δ_ij, -Δ_ij分别为与+Q_ij, -Q_ij相对应时刻的位移值。

　　 试件的等效刚度和等效刚度退化系数 (ψ即滞回环上位移峰值点与坐标原点连线的斜率) 见图12, 限于篇幅仅列出具有代表性的2个试件的滞回曲线。由图12可知:1) 试件在加载初期 (弹性受力阶段时) 刚度为恒量, 没有损伤和刚度退化及强化现象;2) 随着所加荷载的增加, 蜂窝式试件的刚度变化趋势由大于实腹式试件的刚度到两者逐渐相同;3) 端板竖放试件的刚度大于端板平放试件的刚度;4) 试件的等效刚度随着开孔距离的增加而增大。

　　 位移延性系数表征整个结构或构件的塑性变形能力, 是结构抗震性能的重要指标。计算公式为:

　　 式中:μ为位移延性系数;Δ_u为试件极限位移 (采用骨架曲线下降段内0.85倍的极限荷载所对应的位移) ;Δ_y为屈服位移。

　　 各试件的延性系数见表4。延性系数由小到大依次为:FWP16390<FWS16390<FWP16773<FWS16773<SFP16<SFS16<FWP25390<FWS25390<FWP25773<FWS25773<SFP25<SFS25。由此可知:1) 相同强度等级的实腹式试件的延性系数大于蜂窝式试件。说明未扩张的原型钢试件具有很好的塑性性能, 扩张后蜂窝式试件的抗弯刚度较大, 相对应的塑性性能降低, 延性较小。钢材为I25a的试件延性系数大于钢材为I16的试件, 说明钢材截面尺寸越大, 试件延性也越好。2) 端板竖放试件的延性系数大于端板平放的试件, 说明端板竖放试件具有很好的塑性性能。3) 开孔距离为390mm的试件延性系数小于开孔距离为773mm试件的延性系数, 说明开孔距离越大, 试件塑性越好。但开孔距离越小的试件, 其抗弯刚度越大。

　　 科研以及工程实际中常用等效黏滞阻尼系数h_e^[7]表征结构的耗能性。由表4可知, 随着扩张比、开孔距离、节点连接形式的改变, 各试件的等效黏滞阻尼系数随之变化:1) 实腹式试件的等效黏滞阻尼系数最大, 蜂窝试件的等效黏滞阻尼系数较小, 且蜂窝式试件的耗能性能与节点连接方式以及开孔距离有关。2) 端板竖放试件的等效黏滞阻尼系数小于端板平放试件, 端板平放试件耗能能力更强。3) 蜂窝式试件的等效黏滞阻尼系数随着开孔距离的增加而变大, 这与试件的开孔率有关。说明蜂窝式试件的开孔距离越大, 试件的耗能能力越好。

　　 各试件极限承载力及对应的位移如表5所示。由表5可知:1) 扩张比大的蜂窝式试件的极限承载力大于扩张比稍微小一点的蜂窝式试件, 大于没有扩张的蜂窝式试件;2) 端板平放试件的极限承载力小于端板竖放试件;3) 开孔距离大的试件由于对腹板削弱程度小, 其极限承载力大于开孔距离小的试件;4) 极限承载力最大的试件FWP25773的极限承载力相对实腹式试件SFP25的极限承载力提高34.3%, 这是由于扩张后试件具有较大的抗弯能力。

　　 (1) 蜂窝式试件的节点破坏属于延性破坏, 破坏大多发生在试件梁蜂窝开孔处, 实腹式试件的破坏大多发生在试件的节点域内。

　　 (2) 试件的屈服荷载、极限承载力、刚度随着扩张比的增加而增大, 延性和耗能能力反而降低。

　　 (3) 节点的极限荷载及刚度受节点端板放置形式的影响, 随着扩张比的增加而逐渐减小;端板平放试件的滞回性能明显好于端板竖放试件;端板平放试件具有很好的塑性和延性性能, 耗能能力强。

　　 (4) 开孔距离小的试件抗弯刚度较大, 相对应的塑性性能不如开孔距离大的试件, 延性相对较小;随着开孔距离的增加, 试件的极限承载力增大;开孔距离大的试件的等效刚度明显大于开孔距离小的试件;开孔距离大的试件具有很好的塑性性能;试件开孔距离越大其耗能能力越好。