赵滨宇，董锦坤，秦鹏亮

节点域厚度对节点抗震性能影响的有限元分析

赵滨宇1，董锦坤1，秦鹏亮2

（1.辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121001；2.平顶山市公路交通勘察设计院，河南 平顶山 467000）

利用大型有限元分析软件ABAQUS对隔板贯通式箱型柱与H型钢梁普通型梁柱节点(the diaphragm-through type steel box column and H-style steel normal beam，DTN)采用低周往循环位移加载。得出结论：当节点域厚度较小时，结构具有良好的延性性能。节点的滞回曲线变化随着节点域腹板厚度增大变化较小、随着节点域腹板厚度增加，节点的刚度退化现象会逐渐减小。

节点域；有限元；滞回曲线；延性

在实际工程中，混凝土或钢框架节点域受力特性有其自身的特点[1]，此节点域部位受力状态较为复杂。对该部位节点域的研究有着很重要的工程意义。本文对隔板贯通式箱型柱与H型钢梁普通型梁柱节点(DTN)进行有限元模拟分析，以(DTN)节点域作为研究对象，确立该节点域节点厚度为5个数量等级，分别为4、6、8、10、12 mm，分析该节点域的滞回曲线、延性系数、骨架曲线对节点抗震受力性能的影响。建立三维有限元模型，并采用低周往复循环位移加载方式，分析节点的抗震性能。

1 节点情况

本文所述DTN节点的钢材采用Q345；隔板选矩形截面钢材尺寸为300 mm×300 mm×8 mm。

钢梁选型工字型钢材尺寸为200 mm×100 mm×6 mm×8 mm，从跨中截取一半梁长1.80 m；箱型截面钢柱的尺寸为250 mm×250 mm×8 mm，截取整柱高的二分之一为3.0 m。

按照规范要求，采用的节点域腹板厚度按递增规律，分别为4、6、8、10、12 mm。

2 模型建立

2.1 网格划分

柱子上段区域和下段区域的种子布置采用0.05，单元形状采用六面体(Hex)。单元节点处隔板的种子采用0.025，单元形状也采用六面体单元。钢梁的种子采用0.025，单元形状则采用四面体单元(Tet)。模型整体采用结构优化网络技术划分网格。

2.2 约束定义

首先设置一个参考点，将力施加在这个参考点上，参考点则与梁端进行耦合约束，实施对梁端位移的控制。

2.3 边界约束和荷载

为使节点的受力性能接近现实的地震力，在柱底部3个方向X、Y、Z实施全约束，在顶部X、Y 2个方向实施约束，同时在柱顶部施加轴向压力，轴压比为0.4。为避免节点在后期加载阶段由于扭转而不能收敛，在有限元模拟分析过程中约束X方向的位移。位移加载按照±Δ，±2Δ，±3Δ，±4Δ，…，±10Δ进行加载，其中Δ为梁全截面的屈服位移，经计算约为10 mm[2]。根据材料力学的四大假定之一，假定材料是均质的、内部完全充满的连续体，此时，循环加载只需1圈。得到的DTN系列节点的有限元模型如图1所示。

图1 试件模型

3 结果分析

依据不同节点域厚度建立了隔板贯通式箱型柱-H型钢梁普通型（DTN）节点的5个有限元模型：DTN-4、DTN-6、DTN-8、DTN-10、DTN-12，分别在10、20、40、60、70、100 mm 6个级别位移加载。整理分析由ABAQUS软件模拟计算所得结果，并讨论DTN节点的滞回曲线、延性、骨架曲线3个方面，然后找出节点域腹板厚度的变化对节点抗震性能影响的规律。

3.1 滞回曲线分析

使用滞回曲线分析了DTN-4、DTN-6、DTN-8、DTN-10、DTN-12 5个试件的梁端反力-位移。将5条曲线画在同一坐标系当中，如图2所示。

图2 滞回曲线

由图2可知，节点的滞回曲线变化随着节点域腹板厚度增大变化较小，滞回曲线的饱满程度及包络面积决定了节点的耗能能力，5个模型试件的滞回曲线呈干扁的梭形，形状欠饱满。而所有5条曲线相互距离很近，包络面积较小，因而耗能能力较差；随着节点域腹板厚度增加，节点的刚度退化现象会逐渐减小。

3.2 延性系数分析

不同的节点域厚度对延性有较大的影响[3]，本文通过延性计算公式得到延性系数的计算结果，见表1。

表1 不同节点域厚度延性系数

DTN-4DTN-6DTN-8DTN-10DTN-12 Δu/mm68.580459.394858.653959.5459.8916 Δy/mm10.94169.209713.539413.539413.5394 μ6.26796.44924.33214.39754.3496

相应的延性系数与节点域厚度之间的关系如图3所示。

图3 延性系数与节点域厚度关系图

由表1和图3可知，对于隔板贯通式箱型柱-H型钢梁普通型节点，当节点域厚度不大于6 mm时，延性基本不变，随着增加节点域的厚度由6 mm增加到8 mm，延性有一个较大幅度的下降，当下降到某一相对固定值时，维持稳定，不再变化。从图3中可以看出，节点域厚度在4 mm或者6 mm时，延性性能较好。

3.3 骨架曲线分析

分别对不同节点域厚度的5个模型进行骨架曲线分析，得到骨架曲线如图4。

图4 骨架曲线对比

由图4可以看出，在弹性受力阶段，各个骨架曲线基本互相重合，节点刚度受节点域厚度影响不明显，同时退化以及强化现象不显著；节点的初始刚度与节点域厚度呈正相关，即节点域厚度越大，初始刚度越大；节点的极限承载力随着节点域厚度的增加，小幅度地先减少后增加。

4 结语

以节点域作为研究对象，取节点域厚度为参数，并对模拟结果进行分析，得到如下结论。

(1)由滞回曲线分析可知，对于隔板贯通式箱型柱-H型钢梁普通型节点，节点的滞回曲线变化随着节点域腹板厚度增大变化较小，5个模型试件的滞回曲线形状都不饱满，呈干扁的梭形，滞回曲线包络面积相对较小，耗能能力较弱；随着节点域腹板厚度增加，节点的刚度退化现象会逐渐减小。

(2)由延性系数分析可知，对于隔板贯通式箱形柱-H型钢梁普通型节点，节点的延性随节点域厚度的增加不断下降，当下降至某一水平后，基本不再变化。节点域厚度较小时，延性性能良好。

(3)由骨架曲线分析可知，在弹性受力阶段，节点的刚度维持稳定，且无其他现象发生；节点的初始刚度与节点域厚度呈正相关，即厚度越大，初始刚度越大；节点极限承载力在一定条件下会受到节点域厚度的影响，随着节点域厚度的增加，小幅度地先减少后增加。

[1] 张庆国. 考虑混凝土楼板影响的钢框架节点域受力性能研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2009.

[2] 谢光杰. 箱形柱(中柱)-H型钢梁节点断裂机理及延性节点研究[D]. 宁波: 宁波大学, 2013.

[3] 陈飞, 董锦坤, 孙洪军, 等. 节点域厚度对普通梁柱节点延性性能影响的研究[J]. 辽宁工业大学学报: 自然科学版, 2014, 34(3): 184-186.

Finite Element Analysis of Influence of Joint Domain Thickness on the Seismic Performance of Joints

ZHAO Bin-yu1, DONG Jin-kun1, QIN Peng-liang2

（1.School of Civil and Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China;2.Pingdingshan Highway Traffic Survey and Design Institute, Pingdingshan 467000, China）

In this paper, the large-scale finite element analysis software ABAQUS is used to analyze the ordinary beam-column joint between diaphragm through box column and H-shaped steel beam (the diaphragm-through type steel box column and H-style steel normal beam, DTN) is loaded by low cyclic displacement.It is concluded that Hysteresis curve changes less with the increase of the node domain web thickness, and with the increase of the node domain web thickness, node stiffness degradation phenomenon will gradually decrease.

joint zone; finite element; hysteresis curve; ductility

TU391

A

1674-3261(2021)02-0129-03

10.15916/j.issn1674-3261.2021.02.012

2020-11-06

辽宁省高校基本科研项目(JFL201715402)

赵滨宇(1995-)，男，辽宁锦州人，硕士生。

董锦坤(1965-)，男，辽宁凌海人，教授，博士。

责任编校：孙 林