碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)鋼框架肋板的節(jié)點(diǎn)滯回性能分析*

王 璐，菅鳳俠

（西安工商學(xué)院，陜西西安 710119）

經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提升促使人們對建筑形式、空間、質(zhì)量等多方面的要求逐漸增多，在21世紀(jì)，我國總建筑量創(chuàng)歷史新高［1-3］?；仡?008年的汶川地震可知，建筑倒塌在造成巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時，還會危及人們的生命。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP）作為一種高強(qiáng)材料［4］，能夠使各類材料的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮。CFRP的強(qiáng)度為普通鋼材的10倍，密度僅占其20%，具有非常穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，且不會出現(xiàn)疲勞，因此使用CFRP增強(qiáng)鋼框架肋板，通過CFRP理想的抗拉強(qiáng)度與延性對鋼框架肋板結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行有效控制，從而提高其承載力、抗腐蝕性能。本文通過建立有限元模型分析鋼框架肋板的節(jié)點(diǎn)滯回性能，驗證了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)效果。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗材料

選擇Q345鋼材料制作鋼框架肋板試件，鋼梁規(guī)格為 ，截面規(guī)格為 。使試件頂端承受0.5倍軸壓力，試件頂端與底端均采用固接形式，頂端約束中心線與底端約束中心線之間的距離為1500mm。該試件使用循環(huán)加載，加載點(diǎn)到鋼框架翼緣表面的距離為1600mm。利用厚度為6mm的鋼板進(jìn)行節(jié)點(diǎn)域補(bǔ)強(qiáng)，運(yùn)用載荷及位移分別對試件屈服前和屈服后的加載進(jìn)行控制［5-6］。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包含質(zhì)量輕、疲勞性能以及減震性能好等優(yōu)勢，因此將其用于增強(qiáng)鋼框架肋板，通過分析節(jié)點(diǎn)滯回性能，驗證鋼框架肋板增強(qiáng)效果。根據(jù)鋼框架肋板軸線方向，在具有較大應(yīng)力的翼緣表面粘貼CFRP［7-8］。

1.2 有限元模型建立

1.2.1 設(shè)置約束與邊界條件

假設(shè)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的材層之間，以及和鋼框架肋板之間能很好地粘結(jié)，可通過Tie約束完成［9］；為達(dá)到內(nèi)層單元變化，外層單元可隨之協(xié)調(diào)變形的特征，應(yīng)選擇鋼框架肋板作為主要表面，CFRP內(nèi)表面作為從屬表面。設(shè)定固定鉸接約束于弦桿兩側(cè)，使豎向位移加載作用于弦桿自由端，在模擬過程中對弦桿進(jìn)行限制，另外五個自由度僅形成軸向位移［10-12］，即設(shè)置邊界條件的方法。

1.2.2 節(jié)點(diǎn)連接

運(yùn)用剛性形式連接梁柱節(jié)點(diǎn)以及焊接形式連接鋼梁與支撐節(jié)點(diǎn)。鋼框架肋板的節(jié)點(diǎn)連接方式有兩種：一種為A-1型，即通過梁段與梁柱直接連接；另外一種是A-2型，通過加肋板方法對梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行增強(qiáng)。

1.2.3 模型建立

為有效分析碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)鋼框架肋板的節(jié)點(diǎn)滯回性能，從幾何非線性角度出發(fā)，將Mises屈服原則作為基礎(chǔ)，使用三維實(shí)體單元建立有限元模型［13］。

1.3 剛度退化特性

運(yùn)用割線剛度描述鋼框架肋板的剛度以驗證CFRP增強(qiáng)前后的節(jié)點(diǎn)剛度退化狀況。將循環(huán)荷載作用于節(jié)點(diǎn)時，每次循環(huán)均會產(chǎn)生正向與負(fù)向的豎直反力，連接兩個力，所得直線的斜率為割線剛度［14-15］，其計算過程用公式（1）描述：

式（1）內(nèi)，對于第i個位移水平，割線剛度用Kei描述；正向豎直反力用+Pi描述；負(fù)向豎直反力用-Pi描述；正向位移用+ui描述；負(fù)向位移用-ui描述。

2 結(jié)果分析

2.1 循環(huán)加載方式下梁段的載荷-轉(zhuǎn)角滯回曲線

通過ANSYS軟件對循環(huán)加載方式下鋼框架肋板的節(jié)點(diǎn)滯回性能進(jìn)行計算，A-1型與A-2型梁段的載荷-轉(zhuǎn)角滯回曲線用圖1描述。

圖1 A-1型與A-2型梁段的載荷-轉(zhuǎn)角滯回曲線Fig.1 Load angle hysteretic curves of A-1 and A-2 beam sections

由圖1可得，A-1型與A-2型梁段的載荷-轉(zhuǎn)角滯回曲線均呈矩形分布，但相對于A-2型，A-1型的滯回曲線稍有捏攏，A-2型則飽滿均勻，變化穩(wěn)定，不存在捏攏現(xiàn)象；當(dāng)處于極限狀態(tài)時，A-1型梁段的轉(zhuǎn)角比A-2型梁段的轉(zhuǎn)角小。由此可知，使用A-2型鋼框架肋板節(jié)點(diǎn)連接方式，能使鋼柱對鋼梁的局部變形限制減弱，增大梁段轉(zhuǎn)動，提高鋼框架肋板延性及耗能效果。

2.2 循環(huán)加載方式下的水平力-側(cè)移滯回曲線

A-1型與A-2型的水平力-側(cè)移滯回曲線以及骨架曲線，用圖2描述。分析圖2可得，A-1型與A-2型的水平力-側(cè)移滯回曲線均呈橢圓形分布，且飽滿穩(wěn)定，不存在捏攏現(xiàn)象；兩者的水平力都隨著側(cè)移增加而升高，當(dāng)側(cè)移小于-10mm和大于10mm時，兩者的水平力上升速率緩慢，當(dāng)側(cè)移在-10mm至10mm之間時，兩者的水平力呈快速上升趨勢；A-2型的水平力始終高于A-1型的水平力。對比這些數(shù)據(jù)可以表明，使用A-2型鋼框架肋板節(jié)點(diǎn)連接方式，能獲得更好的鋼框架肋板承載能力。

2.3 CFRP增強(qiáng)鋼框架肋板前后的剛度退化曲線

每個階段的剛度用K表示，初始剛度用k0表示，屈服位移用Δy表示；水平位移用Δ表示。CFRP增強(qiáng)鋼框架肋板前后的剛度退化曲線如圖3所示。由圖3可得，CFRP增強(qiáng)前后的剛度在鋼框架屈服前基本不發(fā)生改變，且數(shù)值相同；當(dāng)梁段產(chǎn)生屈服后，CFRP增強(qiáng)前后的剛度均產(chǎn)生退化現(xiàn)象，在循環(huán)次數(shù)不斷增加的情況下，剛度退化速率逐漸衰弱；CFRP增強(qiáng)后的剛度始終高于CFRP增強(qiáng)前的剛度；相對于CFRP增強(qiáng)前的剛度曲線，增強(qiáng)后的剛度曲線較為平緩。經(jīng)驗證表明，使用CFRP增強(qiáng)鋼框架肋板可獲得較優(yōu)異的變形性能及抗側(cè)移性能。

圖3 CFRP增強(qiáng)鋼框架肋板前后的剛度退化曲線Fig.3 Stiffness degradation curve of CFRP reinforced steel frame before and after rib plate

2.4 CFRP鋪層方式對鋼框架肋板的節(jié)點(diǎn)滯回性能測試

使用CFRP增強(qiáng)鋼框架肋板時，設(shè)置4種不同鋪層角度的CFRP鋪層方式，鋪層層數(shù)均為2，鋪層長度為3倍的弦桿直徑，鋪層方式有五種，方式0即不使用CFRP，方式1的CFRP方向和軸線夾角為0/0，方式2的CFRP方向和軸線夾角為0/90，方式3的CFRP方向和軸線夾角為90/90，方式4的CFRP方向和軸線夾角為45/135。不同鋪層方式下，鋼框架肋板的節(jié)點(diǎn)滯回曲線用圖4描述。

圖4 不同鋪層方式下的鋼框架肋板的節(jié)點(diǎn)滯回曲線Fig.4 Hysteretic curves of steel frame rib joints with different ply patterns

分析圖4可得，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鋪層方式對鋼框架肋板的節(jié)點(diǎn)滯回性能影響較大，鋪層方式1與鋪層方式2的滯回環(huán)面積較大，鋪層方式4的滯回環(huán)面積最小。因此可以說明，使用CFRP增強(qiáng)鋼框架肋板時，選擇鋪層方式1或鋪層方式2能極大地提升鋼框架肋板整體性能，CFRP增強(qiáng)效果最佳。

3 結(jié)論

（1）使用A-2型鋼框架肋板節(jié)點(diǎn)連接方式，能使鋼柱對鋼梁的局部變形限制減弱，增大梁段轉(zhuǎn)動，提高鋼框架肋板延性及耗能效果，并且能獲得更好的鋼框架肋板承載能力。

（2）使用CFRP增強(qiáng)鋼框架肋板可獲得較優(yōu)異的變形性能及抗側(cè)移性能。

（3）當(dāng)CFRP鋪層角度呈0/90度或90/90度時，能極大地提升鋼框架肋板整體性能，CFRP效果最佳。