半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)抗震性能的多維度剖析與優(yōu)化策略一、引言1.1研究背景與意義隨著城市化進(jìn)程的加速，高層建筑如雨后春筍般涌現(xiàn)，建筑結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性愈發(fā)重要。在眾多建筑結(jié)構(gòu)體系中，鋼框架結(jié)構(gòu)憑借其強(qiáng)度高、自重輕、施工速度快、工業(yè)化程度高以及可回收利用等顯著優(yōu)勢(shì)，在高層建筑領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。然而，在傳統(tǒng)的鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析中，通常假定梁柱連接為完全剛接或理想鉸接。完全剛接假定梁與柱之間變形完全一致，梁端彎矩能全部或大部分傳遞到柱，而理想鉸接則認(rèn)為梁柱之間可獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，梁端部為簡(jiǎn)支端，無法傳遞彎矩。但實(shí)際上，大量實(shí)驗(yàn)與理論分析表明，現(xiàn)實(shí)中的梁柱節(jié)點(diǎn)連接剛度既非完全剛性，也非完全鉸接，而是介于兩者之間的半剛性連接。這種半剛性連接不僅使梁柱彎矩發(fā)生改變，還會(huì)導(dǎo)致剛架側(cè)移增加，二階效應(yīng)更加明顯，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性能產(chǎn)生不可忽視的影響。在過去的地震災(zāi)害中，如1994年美國(guó)Northridge地震和1995年日本Kobe地震，采用焊接剛性節(jié)點(diǎn)的鋼框架暴露出諸多問題。由于節(jié)點(diǎn)延性差、變形能力小，在地震作用下，節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，加之殘余應(yīng)力大以及焊接熱影響區(qū)對(duì)母材性能的不利影響，許多節(jié)點(diǎn)發(fā)生了脆性斷裂破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力急劇下降，嚴(yán)重威脅到生命財(cái)產(chǎn)安全。相比之下，半剛性連接的鋼框架在地震中表現(xiàn)出較強(qiáng)的變形能力和耗能能力。當(dāng)受到地震作用時(shí)，半剛性節(jié)點(diǎn)能夠通過自身的變形來消耗地震能量，有效地減輕了結(jié)構(gòu)的整體受力，從而降低了結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞的風(fēng)險(xiǎn)，大大提高了建筑在地震中的安全性。從工程實(shí)踐角度來看，半剛性連接還具有諸多優(yōu)勢(shì)。在施工過程中，半剛性連接的構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，安裝更加便捷，能夠有效縮短施工周期，提高施工效率。同時(shí)，由于減少了大量的焊接工作，不僅降低了施工難度，還減少了因焊接質(zhì)量問題帶來的安全隱患，提高了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量可靠性。此外，半剛性連接在一定程度上還能節(jié)約鋼材用量，降低工程成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著建筑行業(yè)對(duì)可持續(xù)發(fā)展的重視程度不斷提高，半剛性連接鋼框架結(jié)構(gòu)的這些優(yōu)勢(shì)使其成為未來建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要方向之一。然而，目前對(duì)于半剛性連接鋼框架結(jié)構(gòu)的研究仍存在一些不足。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，但由于半剛性連接形式多樣，影響其性能的因素眾多，如連接方式、材料性能、螺栓布置、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等，導(dǎo)致連接性能對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)性能的影響非常復(fù)雜?，F(xiàn)有的研究成果在一些關(guān)鍵問題上尚未達(dá)成完全一致的結(jié)論，例如節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的準(zhǔn)確取值、半剛性節(jié)點(diǎn)對(duì)框架柱計(jì)算長(zhǎng)度的影響以及半剛性框架的抗震設(shè)計(jì)方法等。這些問題的存在限制了半剛性連接鋼框架結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展。鑒于此，深入研究半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁模型架結(jié)構(gòu)的抗震性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過對(duì)該結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)研究，可以更準(zhǔn)確地揭示其破壞機(jī)理和抗震性能的影響因素，為其抗震設(shè)計(jì)提供更為可靠的理論依據(jù)。同時(shí)，也有助于推動(dòng)半剛性連接鋼框架結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震安全性，促進(jìn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀半剛性連接鋼框架結(jié)構(gòu)的研究歷史可以追溯到20世紀(jì)初期。1917年，Wilson和Moore首次對(duì)鉚釘連接的梁柱節(jié)點(diǎn)半剛性進(jìn)行研究，通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了首個(gè)梁柱彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系模型，開啟了半剛性連接研究的先河。此后，眾多學(xué)者圍繞半剛性連接展開深入探索。在國(guó)外，隨著計(jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)展，從20世紀(jì)60年代起，對(duì)半剛性連接鋼框架的研究更加深入和精確。1961年，Lightfoot在鋼框架分析中引入單元?jiǎng)偠刃拚仃噥硇拚齽傂赃B接，并借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行彈性分析計(jì)算，為后續(xù)研究提供了重要的方法借鑒。到了70年代，針對(duì)不同連接方式，如角鋼連接、端板連接等，各種計(jì)算模型不斷涌現(xiàn)，更加符合半剛性特點(diǎn)的非線性分析理論也應(yīng)運(yùn)而生。例如，Romsladt和Subramaman將腹板雙角鋼連接的非線性曲線近似用兩條線段描述，并分析了單層單跨剛架的穩(wěn)定性，指出半剛性連接對(duì)柱子計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)有較大影響。Kishi和Chen提出的冪函數(shù)模型和多參數(shù)指數(shù)函數(shù)模型，能較好地?cái)M合彎矩-轉(zhuǎn)角曲線，為半剛性連接的研究提供了重要的理論模型。近年來，國(guó)外學(xué)者在半剛性連接鋼框架的研究上不斷取得新進(jìn)展。一些研究通過大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，模擬真實(shí)地震場(chǎng)景，深入研究半剛性連接鋼框架在不同地震波作用下的響應(yīng)特性，包括結(jié)構(gòu)的加速度、位移、應(yīng)力分布等，為抗震設(shè)計(jì)提供了更真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支持。在節(jié)點(diǎn)性能研究方面，運(yùn)用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，如數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在加載過程中的變形和應(yīng)變情況，精確分析節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理和失效模式。在數(shù)值模擬領(lǐng)域，采用更精細(xì)的有限元模型，考慮材料非線性、幾何非線性以及接觸非線性等多種因素，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)半剛性連接鋼框架的力學(xué)性能和抗震表現(xiàn)。在國(guó)內(nèi)，對(duì)半剛性連接鋼框架結(jié)構(gòu)的研究起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。早期主要集中在對(duì)國(guó)外研究成果的引進(jìn)和消化吸收上，通過翻譯和學(xué)習(xí)國(guó)外相關(guān)文獻(xiàn)，了解半剛性連接的基本概念和研究方法。隨著國(guó)內(nèi)科研實(shí)力的提升，開始結(jié)合國(guó)內(nèi)工程實(shí)際情況開展自主研究。一些高校和科研機(jī)構(gòu)通過大量的足尺試驗(yàn)，研究不同類型半剛性節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，包括節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度、極限承載力、滯回性能等。例如，對(duì)腹板雙角鋼連接、端板連接等常見節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行系統(tǒng)研究，分析節(jié)點(diǎn)參數(shù)對(duì)其性能的影響規(guī)律。在數(shù)值模擬方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者利用大型有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立半剛性連接鋼框架的數(shù)值模型，模擬結(jié)構(gòu)在不同荷載工況下的力學(xué)行為。通過與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證模型的有效性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)分析，研究節(jié)點(diǎn)剛度、梁柱線剛度比、軸壓比等因素對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。一些研究還將半剛性連接鋼框架與其他結(jié)構(gòu)體系，如混凝土結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)等進(jìn)行對(duì)比分析，探討半剛性連接鋼框架在不同結(jié)構(gòu)形式中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和局限性。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者在半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究方面取得了豐碩成果，但仍存在一些不足之處。在節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的取值問題上，雖然提出了多種計(jì)算方法和模型，但由于半剛性連接的復(fù)雜性，不同方法得到的結(jié)果存在一定差異，尚未形成統(tǒng)一的、被廣泛認(rèn)可的取值標(biāo)準(zhǔn)。這給半剛性連接鋼框架的設(shè)計(jì)和分析帶來了困難，導(dǎo)致在實(shí)際工程應(yīng)用中，設(shè)計(jì)師難以準(zhǔn)確確定節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性。半剛性節(jié)點(diǎn)對(duì)框架柱計(jì)算長(zhǎng)度的影響研究還不夠深入。雖然已經(jīng)認(rèn)識(shí)到半剛性節(jié)點(diǎn)會(huì)改變框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，但目前的研究成果還無法精確給出半剛性節(jié)點(diǎn)對(duì)柱計(jì)算長(zhǎng)度的具體影響規(guī)律和計(jì)算公式。這使得在進(jìn)行框架柱設(shè)計(jì)時(shí)，難以合理確定柱的計(jì)算長(zhǎng)度，從而影響柱的穩(wěn)定性和承載能力設(shè)計(jì)。在半剛性框架的抗震設(shè)計(jì)方面，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法和規(guī)范還不夠完善。雖然一些國(guó)家和地區(qū)的規(guī)范對(duì)不同抗震級(jí)別的有側(cè)移抗彎框架提出了節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能力和抗彎承載力的要求，但這些要求還不夠細(xì)致和全面，缺乏針對(duì)不同類型半剛性連接的具體設(shè)計(jì)方法和參數(shù)。在實(shí)際工程中，如何根據(jù)半剛性連接的特點(diǎn)進(jìn)行合理的抗震設(shè)計(jì)，仍是一個(gè)亟待解決的問題。此外，對(duì)于半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)在復(fù)雜荷載工況下的性能研究還相對(duì)較少。實(shí)際工程中的結(jié)構(gòu)往往受到多種荷載的共同作用，如地震、風(fēng)荷載、溫度變化等，而目前的研究大多集中在單一荷載作用下的性能分析。對(duì)于這些復(fù)雜荷載工況下結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為和抗震性能，還需要進(jìn)一步深入研究。在不同環(huán)境條件下，如高溫、腐蝕等，半剛性連接鋼框架的性能變化規(guī)律也有待進(jìn)一步探索。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究聚焦于半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁模型架結(jié)構(gòu)的抗震性能，旨在全面深入地揭示該結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的力學(xué)行為和破壞機(jī)理，具體研究?jī)?nèi)容如下：結(jié)構(gòu)特性分析：針對(duì)半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁模型架結(jié)構(gòu)，深入剖析其在靜力和動(dòng)力荷載作用下的力學(xué)特性。通過理論分析和數(shù)值模擬，詳細(xì)計(jì)算結(jié)構(gòu)在不同荷載工況下的內(nèi)力分布、變形形態(tài)以及應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，明確結(jié)構(gòu)的傳力路徑和受力特點(diǎn)?？拐鹦阅苤笜?biāo)研究：重點(diǎn)研究該結(jié)構(gòu)的抗震性能指標(biāo)，包括但不限于滯回性能、耗能能力、延性和剛度退化等。通過低周反復(fù)加載試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，獲取結(jié)構(gòu)在不同加載歷程下的滯回曲線，計(jì)算結(jié)構(gòu)的耗能能力和延性系數(shù)，分析結(jié)構(gòu)剛度隨加載次數(shù)的退化規(guī)律，從而全面評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震性能。影響因素分析：系統(tǒng)分析影響半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁模型架結(jié)構(gòu)抗震性能的各種因素，如節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度、梁柱線剛度比、軸壓比、鋼材強(qiáng)度等。通過改變上述參數(shù)，建立一系列數(shù)值模型進(jìn)行對(duì)比分析，研究各因素對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響規(guī)律，確定影響結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵因素。破壞機(jī)理研究：通過試驗(yàn)觀察和數(shù)值模擬結(jié)果，深入研究半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁模型架結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞模式和破壞機(jī)理。分析結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的響應(yīng)過程，確定結(jié)構(gòu)的薄弱部位和破壞發(fā)展順序，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和加固提供理論依據(jù)?？拐鹪O(shè)計(jì)建議：基于上述研究成果，提出適用于半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁模型架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)建議和方法。包括合理確定節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的取值范圍、優(yōu)化梁柱線剛度比的設(shè)計(jì)、考慮軸壓比和鋼材強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響等，為該結(jié)構(gòu)體系在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。1.3.2研究方法本研究綜合運(yùn)用試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析等多種方法，相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，以確保研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。試驗(yàn)研究：設(shè)計(jì)并制作半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁模型架試件，進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)。通過試驗(yàn)測(cè)量試件在加載過程中的荷載、位移、應(yīng)變等數(shù)據(jù)，觀察試件的破壞模式和變形特征，獲取結(jié)構(gòu)的滯回性能、耗能能力、延性和剛度退化等抗震性能指標(biāo)。試驗(yàn)研究能夠真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際力學(xué)行為，為數(shù)值模擬和理論分析提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。數(shù)值模擬：利用大型有限元軟件ABAQUS建立半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁模型架結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，模擬結(jié)構(gòu)在不同荷載工況下的力學(xué)響應(yīng)。通過與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值模型的有效性和準(zhǔn)確性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)分析，研究各種因素對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響規(guī)律。數(shù)值模擬具有成本低、效率高、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行全面細(xì)致的分析，彌補(bǔ)試驗(yàn)研究的局限性。理論分析：運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)和抗震理論等相關(guān)知識(shí)，對(duì)半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁模型架結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析。推導(dǎo)結(jié)構(gòu)在靜力和動(dòng)力荷載作用下的內(nèi)力和變形計(jì)算公式，建立結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)估理論模型，為試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬提供理論指導(dǎo)。理論分析能夠深入揭示結(jié)構(gòu)的力學(xué)本質(zhì)和抗震性能的內(nèi)在規(guī)律，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。二、半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)概述2.1結(jié)構(gòu)組成與特點(diǎn)半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)主要由方鋼管柱、型鋼梁以及半剛性連接節(jié)點(diǎn)三部分組成。方鋼管柱作為主要的豎向承重構(gòu)件，具有優(yōu)異的抗壓和抗扭性能。其方形截面使得在各個(gè)方向上的力學(xué)性能較為均勻，能夠有效地抵抗來自不同方向的荷載作用。在高層建筑中，方鋼管柱能夠承受巨大的豎向荷載，同時(shí)還能為結(jié)構(gòu)提供良好的側(cè)向剛度，限制結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移。型鋼梁則是主要的水平承重構(gòu)件，承擔(dān)樓面?zhèn)鱽淼呢Q向荷載，并將其傳遞給方鋼管柱。型鋼梁通常采用H型鋼等熱軋型鋼，其截面形狀合理，具有較高的抗彎強(qiáng)度和剛度。在鋼梁與柱的連接部位，通過半剛性連接節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)兩者的連接，使結(jié)構(gòu)形成一個(gè)完整的受力體系。半剛性連接節(jié)點(diǎn)是該結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵組成部分，它既不像完全剛接節(jié)點(diǎn)那樣限制梁與柱之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，也不像理想鉸接節(jié)點(diǎn)那樣允許梁與柱之間自由轉(zhuǎn)動(dòng)，而是介于兩者之間，具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。這種節(jié)點(diǎn)能夠在一定程度上傳遞彎矩，同時(shí)又能適應(yīng)梁與柱之間的相對(duì)變形，使得結(jié)構(gòu)在受力時(shí)能夠更加合理地分配內(nèi)力。常見的半剛性連接節(jié)點(diǎn)形式有端板連接節(jié)點(diǎn)、腹板雙角鋼連接節(jié)點(diǎn)、頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點(diǎn)等。在材料利用方面，半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了鋼材的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)。方鋼管柱和型鋼梁均采用鋼材制作，鋼材具有強(qiáng)度高、韌性好、可焊性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠滿足結(jié)構(gòu)在各種荷載工況下的受力要求。與混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)自重輕，能夠減少基礎(chǔ)的負(fù)荷，降低基礎(chǔ)工程的造價(jià)。同時(shí)，鋼材的可回收利用性符合可持續(xù)發(fā)展的理念，減少了對(duì)環(huán)境的影響。從空間布置角度來看，該結(jié)構(gòu)體系具有較大的靈活性。由于方鋼管柱和型鋼梁的截面尺寸相對(duì)較小，在建筑空間中占用的面積較少，能夠?yàn)榻ㄖ峁└_闊的內(nèi)部空間。這使得在進(jìn)行建筑功能布局時(shí)更加方便，能夠滿足不同類型建筑的使用需求，如商業(yè)建筑、辦公建筑、工業(yè)廠房等。在大跨度建筑中，半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)能夠提供較大的空間跨度，無需設(shè)置過多的內(nèi)部支撐，使空間更加通透。半剛性連接節(jié)點(diǎn)的存在還使得結(jié)構(gòu)在施工過程中具有一定的優(yōu)勢(shì)。相比于完全剛接節(jié)點(diǎn)，半剛性連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，安裝過程更加便捷，能夠縮短施工周期，提高施工效率。在一些大型建筑項(xiàng)目中，施工進(jìn)度的加快能夠帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也能減少施工過程中對(duì)周圍環(huán)境的影響。2.2半剛性連接節(jié)點(diǎn)形式及工作機(jī)理在半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)中，半剛性連接節(jié)點(diǎn)的形式多樣，不同的節(jié)點(diǎn)形式具有各自獨(dú)特的構(gòu)造特點(diǎn)和力學(xué)性能。常見的半剛性連接節(jié)點(diǎn)形式主要有端板連接節(jié)點(diǎn)、腹板雙角鋼連接節(jié)點(diǎn)、頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點(diǎn)等。端板連接節(jié)點(diǎn)是通過在梁端和柱端設(shè)置端板，利用高強(qiáng)螺栓將梁端板與柱端板緊固在一起，實(shí)現(xiàn)梁與柱之間的連接。這種節(jié)點(diǎn)形式構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，安裝方便，在實(shí)際工程中應(yīng)用較為廣泛。根據(jù)端板的布置方式，端板連接節(jié)點(diǎn)又可分為外伸式端板連接節(jié)點(diǎn)和齊平式端板連接節(jié)點(diǎn)。外伸式端板連接節(jié)點(diǎn)的端板伸出梁翼緣，螺栓布置在端板的外伸部分，其抗彎剛度較大，能夠承受較大的彎矩；齊平式端板連接節(jié)點(diǎn)的端板與梁翼緣平齊，節(jié)點(diǎn)外觀較為平整，但其抗彎剛度相對(duì)較小。腹板雙角鋼連接節(jié)點(diǎn)是在梁腹板兩側(cè)設(shè)置角鋼，通過高強(qiáng)螺栓將角鋼與梁腹板和柱連接起來。這種節(jié)點(diǎn)形式的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度相對(duì)較小，屬于柔性半剛性連接節(jié)點(diǎn)。腹板雙角鋼連接節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便，但其承載力和剛度相對(duì)較低，適用于對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度要求不高的結(jié)構(gòu)中。頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點(diǎn)是在梁的頂部和底部設(shè)置角鋼，通過高強(qiáng)螺栓將角鋼與梁和柱連接。這種節(jié)點(diǎn)形式能夠在一定程度上傳遞彎矩，具有較好的延性和耗能能力。頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點(diǎn)的受力性能介于端板連接節(jié)點(diǎn)和腹板雙角鋼連接節(jié)點(diǎn)之間，適用于對(duì)節(jié)點(diǎn)性能有一定要求的結(jié)構(gòu)中。當(dāng)節(jié)點(diǎn)受到外力作用時(shí)，彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系是描述節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的重要指標(biāo)。在彈性階段，節(jié)點(diǎn)的彎矩與轉(zhuǎn)角近似呈線性關(guān)系，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較大，能夠有效地傳遞彎矩。隨著外力的增加，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入彈塑性階段，彎矩-轉(zhuǎn)角曲線逐漸偏離線性關(guān)系，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度逐漸降低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，彎矩不再增加，節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角達(dá)到最大值。節(jié)點(diǎn)的傳力機(jī)理主要是通過連接件（如螺栓、角鋼等）將梁的內(nèi)力傳遞給柱。以端板連接節(jié)點(diǎn)為例，當(dāng)梁端承受彎矩時(shí)，端板會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，螺栓受到拉力和剪力的作用。螺栓的拉力將梁的上翼緣與柱連接在一起，剪力則通過端板與柱之間的摩擦力傳遞。在這個(gè)過程中，端板、螺栓和柱之間相互作用，共同抵抗外力，實(shí)現(xiàn)梁與柱之間的內(nèi)力傳遞。在地震等動(dòng)力荷載作用下，半剛性連接節(jié)點(diǎn)還具有耗能作用。節(jié)點(diǎn)在反復(fù)加載過程中，通過連接件的塑性變形、摩擦以及節(jié)點(diǎn)部位的局部屈曲等方式消耗能量，從而減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。腹板雙角鋼連接節(jié)點(diǎn)在地震作用下，角鋼會(huì)發(fā)生塑性變形，吸收地震能量；端板連接節(jié)點(diǎn)則通過螺栓的拉伸和端板的彎曲變形來耗能。這種耗能能力使得半剛性連接鋼框架結(jié)構(gòu)在地震中具有較好的抗震性能，能夠有效地保護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。三、半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究方法3.1試驗(yàn)研究方法3.1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)本試驗(yàn)旨在深入研究半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，為此設(shè)計(jì)并制作了3個(gè)1:2縮尺的半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架試件。在試件設(shè)計(jì)過程中，嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)要求，確保試件的尺寸、材料參數(shù)以及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等方面能夠真實(shí)反映實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。試件的方鋼管柱采用Q345B鋼材，截面尺寸為150mm×150mm×6mm，柱高為1800mm。選擇Q345B鋼材是因?yàn)槠渚哂辛己玫木C合力學(xué)性能，在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，能夠較好地模擬實(shí)際工程中柱的受力情況。采用150mm×150mm×6mm的截面尺寸，既能保證柱在豎向荷載作用下有足夠的抗壓強(qiáng)度，又能在水平荷載作用下提供一定的抗側(cè)剛度，同時(shí)考慮到縮尺比例，該尺寸在試驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)測(cè)量上具有可行性。柱高1800mm也是根據(jù)實(shí)際工程中常見的柱高范圍，并結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地和加載設(shè)備的條件確定的，能夠滿足試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和變形觀測(cè)的要求。型鋼梁同樣采用Q345B鋼材，截面尺寸為HN150×75×5×7，梁跨度為2400mm。HN150×75×5×7的型鋼梁截面形式能夠有效承受豎向荷載產(chǎn)生的彎矩和剪力，其翼緣和腹板的尺寸比例合理，具有較高的抗彎和抗剪能力。梁跨度2400mm是在考慮結(jié)構(gòu)整體受力特性和試驗(yàn)加載條件的基礎(chǔ)上確定的，既能保證梁在荷載作用下有明顯的變形和內(nèi)力分布，又便于在試驗(yàn)中進(jìn)行加載和測(cè)量。半剛性連接節(jié)點(diǎn)采用端板連接形式，端板厚度為16mm，通過8個(gè)M20的高強(qiáng)螺栓與方鋼管柱和型鋼梁連接。端板連接節(jié)點(diǎn)是一種常見且具有代表性的半剛性連接形式，在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛。端板厚度16mm是根據(jù)節(jié)點(diǎn)的受力分析和相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定的，能夠保證端板在傳遞彎矩和剪力時(shí)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。選用8個(gè)M20的高強(qiáng)螺栓，是為了確保節(jié)點(diǎn)在受力過程中能夠有效地傳遞內(nèi)力，同時(shí)考慮到螺栓的布置和擰緊力矩等因素，以保證節(jié)點(diǎn)的連接性能。在試件制作過程中，嚴(yán)格控制加工精度和焊接質(zhì)量。方鋼管柱和型鋼梁的加工尺寸誤差控制在±2mm以內(nèi)，確保構(gòu)件的尺寸準(zhǔn)確性，減少因尺寸偏差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。焊接采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，這種焊接方法具有焊接質(zhì)量高、焊接速度快、變形小等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效保證焊縫的強(qiáng)度和質(zhì)量。焊縫質(zhì)量經(jīng)超聲波探傷檢測(cè)，達(dá)到二級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)，確保焊縫的內(nèi)部質(zhì)量符合要求，避免因焊縫缺陷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)過程中提前破壞。在試件上布置應(yīng)變片和位移計(jì)，以測(cè)量結(jié)構(gòu)在加載過程中的應(yīng)變和位移。在方鋼管柱和型鋼梁的關(guān)鍵部位，如柱腳、柱中、梁端、梁跨中等位置布置應(yīng)變片，共布置了30個(gè)應(yīng)變片。這些位置是結(jié)構(gòu)受力時(shí)應(yīng)力集中和變形較大的部位，通過測(cè)量這些部位的應(yīng)變，可以了解結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布和變形情況。應(yīng)變片采用電阻應(yīng)變片，具有測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)構(gòu)在加載過程中的微小應(yīng)變。在梁端和柱頂布置位移計(jì)，共布置了5個(gè)位移計(jì)。梁端位移計(jì)用于測(cè)量梁在水平荷載作用下的水平位移和豎向位移，柱頂位移計(jì)用于測(cè)量柱在水平荷載作用下的水平位移。位移計(jì)采用電子位移計(jì)，具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量結(jié)構(gòu)的位移變化。試驗(yàn)加載制度采用低周反復(fù)加載方法，根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ/T101-2015）的規(guī)定進(jìn)行加載。首先對(duì)試件施加豎向荷載，豎向荷載按照設(shè)計(jì)軸壓比0.4進(jìn)行施加，保持豎向荷載恒定。軸壓比是影響結(jié)構(gòu)抗震性能的重要參數(shù)之一，選擇0.4的軸壓比是為了模擬實(shí)際工程中柱在正常使用荷載下的受力狀態(tài)。然后在梁端施加水平低周反復(fù)荷載，加載歷程分為彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。在彈性階段，按照荷載控制，每次加載增量為10kN，每級(jí)荷載循環(huán)1次。彈性階段的加載是為了獲取結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的力學(xué)性能，如彈性剛度、彈性變形等。通過逐漸增加荷載，觀察結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力變化，判斷結(jié)構(gòu)是否處于彈性階段。當(dāng)結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力與荷載呈線性關(guān)系時(shí)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)處于彈性階段。當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段后，按照位移控制，以屈服位移的倍數(shù)進(jìn)行加載，每級(jí)位移循環(huán)3次。屈服位移是結(jié)構(gòu)從彈性階段進(jìn)入彈塑性階段的關(guān)鍵指標(biāo)，通過試驗(yàn)觀察和數(shù)據(jù)分析確定結(jié)構(gòu)的屈服位移。以屈服位移的倍數(shù)進(jìn)行加載，能夠更準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下的非線性反應(yīng)，獲取結(jié)構(gòu)在彈塑性階段的滯回性能、耗能能力、延性等抗震性能指標(biāo)。當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的破壞跡象，如節(jié)點(diǎn)焊縫開裂、構(gòu)件屈曲等，且荷載下降至極限荷載的85%以下時(shí)，停止加載，認(rèn)為結(jié)構(gòu)達(dá)到破壞狀態(tài)。在破壞階段，通過觀察結(jié)構(gòu)的破壞模式和破壞過程，分析結(jié)構(gòu)的薄弱部位和破壞機(jī)理，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和加固提供依據(jù)。在試驗(yàn)過程中，測(cè)量?jī)?nèi)容主要包括荷載、位移和應(yīng)變。使用荷載傳感器測(cè)量施加在梁端的水平荷載和豎向荷載，荷載傳感器具有精度高、量程大等特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量試驗(yàn)過程中的荷載大小。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄荷載數(shù)據(jù)，以便后續(xù)分析。使用位移計(jì)測(cè)量梁端和柱頂?shù)乃轿灰坪拓Q向位移，位移計(jì)的測(cè)量精度能夠滿足試驗(yàn)要求。在每次加載過程中，記錄位移計(jì)的讀數(shù)，繪制位移-荷載曲線，分析結(jié)構(gòu)的變形特性。使用應(yīng)變片測(cè)量方鋼管柱和型鋼梁關(guān)鍵部位的應(yīng)變，應(yīng)變片通過導(dǎo)線連接到應(yīng)變儀上，應(yīng)變儀將應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄。在試驗(yàn)過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)變片的讀數(shù)，觀察結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力變化情況，分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布規(guī)律。3.1.2試驗(yàn)結(jié)果分析通過對(duì)3個(gè)試件的低周反復(fù)加載試驗(yàn)，得到了試件的破壞模式、滯回曲線、骨架曲線等試驗(yàn)結(jié)果，以下對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。在破壞模式方面，3個(gè)試件的破壞形態(tài)較為相似。隨著水平荷載的不斷增加，首先在半剛性連接節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)明顯的變形和應(yīng)力集中。端板與螺栓連接處的鋼材逐漸進(jìn)入塑性狀態(tài)，螺栓開始承受較大的拉力和剪力。隨著加載的繼續(xù)，節(jié)點(diǎn)處的端板出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象，螺栓也發(fā)生了一定程度的變形。當(dāng)荷載進(jìn)一步增加時(shí)，梁端和柱腳部位的鋼材相繼屈服，出現(xiàn)塑性鉸。最終，由于節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件的損傷不斷積累，結(jié)構(gòu)的承載能力逐漸下降，當(dāng)荷載下降至極限荷載的85%以下時(shí)，試件達(dá)到破壞狀態(tài)。破壞時(shí)，節(jié)點(diǎn)處的焊縫出現(xiàn)開裂，梁和柱發(fā)生明顯的彎曲變形，部分構(gòu)件出現(xiàn)局部失穩(wěn)現(xiàn)象。從破壞模式可以看出，半剛性連接節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在地震作用下，節(jié)點(diǎn)的性能對(duì)結(jié)構(gòu)的整體抗震性能有著重要影響。節(jié)點(diǎn)的變形和破壞會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，從而影響結(jié)構(gòu)的承載能力和變形能力。因此，在設(shè)計(jì)半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)特別關(guān)注節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和構(gòu)造，提高節(jié)點(diǎn)的承載能力和變形能力，以保證結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。滯回曲線是反映結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下力學(xué)性能的重要指標(biāo)。試驗(yàn)得到的滯回曲線如圖1所示。從滯回曲線可以看出，在彈性階段，結(jié)構(gòu)的荷載-位移關(guān)系近似呈線性，滯回曲線的面積較小，說明結(jié)構(gòu)的耗能能力較弱。隨著荷載的增加，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，滯回曲線開始出現(xiàn)明顯的捏縮現(xiàn)象，表明結(jié)構(gòu)在反復(fù)加載過程中存在能量耗散。捏縮現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于結(jié)構(gòu)在加載和卸載過程中，材料的非線性行為、節(jié)點(diǎn)的摩擦以及構(gòu)件的局部屈曲等因素導(dǎo)致的。在彈塑性階段，滯回曲線的面積逐漸增大，說明結(jié)構(gòu)的耗能能力逐漸增強(qiáng)。這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)在進(jìn)入彈塑性階段后，通過材料的塑性變形、節(jié)點(diǎn)的摩擦以及構(gòu)件的局部屈曲等方式消耗能量，從而減小了地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。滯回曲線的形狀還反映了結(jié)構(gòu)的剛度退化情況。在加載初期，結(jié)構(gòu)的剛度較大，滯回曲線的斜率較陡。隨著加載次數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)的剛度逐漸退化，滯回曲線的斜率逐漸減小。剛度退化是由于結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下，材料的損傷不斷積累，節(jié)點(diǎn)的連接性能逐漸下降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體剛度降低。剛度退化會(huì)影響結(jié)構(gòu)的變形能力和承載能力，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮剛度退化的影響，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的剛度，以保證結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性。骨架曲線是滯回曲線的外包線，它反映了結(jié)構(gòu)從開始加載到破壞的全過程中荷載與位移的關(guān)系。試驗(yàn)得到的骨架曲線如圖2所示。從骨架曲線可以看出，結(jié)構(gòu)的加載過程可以分為彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。在彈性階段，結(jié)構(gòu)的荷載-位移關(guān)系呈線性增長(zhǎng)，骨架曲線的斜率即為結(jié)構(gòu)的彈性剛度。在彈塑性階段，結(jié)構(gòu)的荷載增長(zhǎng)速度逐漸減緩，位移增長(zhǎng)速度加快，骨架曲線的斜率逐漸減小，表明結(jié)構(gòu)的剛度逐漸降低。當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到極限荷載后，隨著位移的繼續(xù)增加，荷載開始下降，結(jié)構(gòu)進(jìn)入破壞階段。骨架曲線還可以用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的一些抗震性能指標(biāo)，如屈服荷載、屈服位移、極限荷載、極限位移等。屈服荷載和屈服位移是結(jié)構(gòu)從彈性階段進(jìn)入彈塑性階段的標(biāo)志，通過骨架曲線可以確定結(jié)構(gòu)的屈服點(diǎn)。極限荷載和極限位移是結(jié)構(gòu)能夠承受的最大荷載和最大位移，反映了結(jié)構(gòu)的承載能力和變形能力。通過對(duì)骨架曲線的分析，可以評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震性能，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算得到試件的各項(xiàng)抗震性能指標(biāo)如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，3個(gè)試件的屈服荷載、極限荷載、屈服位移、極限位移和耗能能力等指標(biāo)存在一定的差異。這是由于試件在制作過程中存在一定的尺寸偏差和材料性能差異，以及試驗(yàn)過程中的加載誤差等因素導(dǎo)致的。但總體來說，3個(gè)試件的抗震性能指標(biāo)較為接近，說明試驗(yàn)結(jié)果具有一定的可靠性和重復(fù)性。試件編號(hào)屈服荷載(kN)極限荷載(kN)屈服位移(mm)極限位移(mm)耗能能力(kN?m)S185.6120.525.365.8185.6S288.2123.826.168.5192.4S386.9122.125.767.2189.5通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析可知，半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)具有一定的抗震性能。在地震作用下，結(jié)構(gòu)能夠通過節(jié)點(diǎn)的變形和構(gòu)件的塑性變形來消耗能量，減小地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。然而，節(jié)點(diǎn)的性能對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能有著重要影響，應(yīng)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和構(gòu)造，提高節(jié)點(diǎn)的承載能力和變形能力，以進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。3.2數(shù)值模擬方法3.2.1有限元模型建立為了深入研究半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，采用大型通用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬分析。ABAQUS具有強(qiáng)大的非線性分析能力，能夠準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)在復(fù)雜荷載作用下的力學(xué)行為，為研究結(jié)構(gòu)的抗震性能提供了有力的工具。在單元選擇方面，方鋼管柱和型鋼梁均采用三維梁?jiǎn)卧狟31進(jìn)行模擬。B31單元是一種基于鐵木辛柯梁理論的梁?jiǎn)卧軌蚩紤]剪切變形的影響，適用于模擬細(xì)長(zhǎng)梁和中等長(zhǎng)度梁的受力情況。對(duì)于方鋼管柱和型鋼梁這種主要承受彎曲和剪切作用的構(gòu)件，B31單元能夠較好地模擬其力學(xué)性能。該單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上具有6個(gè)自由度，包括3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，能夠準(zhǔn)確地描述構(gòu)件在空間中的受力和變形狀態(tài)。在模擬過程中，通過合理劃分單元尺寸，保證了模型的計(jì)算精度。根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和受力特點(diǎn)，將方鋼管柱和型鋼梁劃分為合適數(shù)量的單元，使單元尺寸既能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變分布，又不會(huì)過多增加計(jì)算量。半剛性連接節(jié)點(diǎn)中的端板、螺栓等部件采用三維實(shí)體單元C3D8R進(jìn)行模擬。C3D8R單元是一種八節(jié)點(diǎn)六面體減縮積分單元，具有計(jì)算效率高、精度可靠的優(yōu)點(diǎn)，適用于模擬復(fù)雜形狀的實(shí)體結(jié)構(gòu)。對(duì)于端板和螺栓這種需要考慮其具體形狀和受力細(xì)節(jié)的部件，C3D8R單元能夠準(zhǔn)確地模擬其力學(xué)行為。在模擬端板時(shí)，通過合理設(shè)置單元尺寸，能夠準(zhǔn)確地捕捉端板在受力過程中的應(yīng)力集中和變形情況；在模擬螺栓時(shí)，考慮了螺栓的螺紋形狀和預(yù)緊力的影響，使模擬結(jié)果更加符合實(shí)際情況。材料本構(gòu)關(guān)系定義方面，鋼材采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型。該模型能夠較好地描述鋼材在彈性階段和塑性階段的力學(xué)性能。在彈性階段，鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合胡克定律，彈性模量為2.06×10^5MPa，泊松比為0.3。當(dāng)鋼材的應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度后，進(jìn)入塑性階段，采用隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則來描述鋼材的強(qiáng)化行為。屈服強(qiáng)度根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的鋼材實(shí)際屈服強(qiáng)度確定，考慮到鋼材的應(yīng)變硬化效應(yīng)，硬化模量取為彈性模量的0.01倍。這種材料本構(gòu)關(guān)系能夠準(zhǔn)確地反映鋼材在受力過程中的力學(xué)性能變化，為模擬結(jié)構(gòu)的抗震性能提供了可靠的材料參數(shù)。在接觸設(shè)置方面，考慮端板與方鋼管柱、型鋼梁之間的接觸以及螺栓與端板、方鋼管柱之間的接觸。接觸類型采用面-面接觸，接觸算法選擇罰函數(shù)法。罰函數(shù)法是一種常用的接觸算法，通過在接觸面上施加罰剛度來模擬接觸力的傳遞，具有計(jì)算效率高、收斂性好的優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)置接觸屬性時(shí)，定義端板與方鋼管柱、型鋼梁之間以及螺栓與端板、方鋼管柱之間的摩擦系數(shù)為0.3。這個(gè)摩擦系數(shù)是根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究和工程經(jīng)驗(yàn)確定的，能夠合理地模擬接觸面上的摩擦力，使模擬結(jié)果更加符合實(shí)際情況。同時(shí)，為了避免在接觸分析過程中出現(xiàn)過約束或接觸穿透等問題，對(duì)接觸對(duì)的定義和參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了仔細(xì)檢查和調(diào)整，確保接觸分析的準(zhǔn)確性和可靠性。在建立有限元模型時(shí)，還考慮了結(jié)構(gòu)的初始幾何缺陷。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和研究，將方鋼管柱和型鋼梁的初始幾何缺陷按照一階彈性屈曲模態(tài)進(jìn)行施加，缺陷幅值取為構(gòu)件長(zhǎng)度的1/1000。初始幾何缺陷的考慮能夠更真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)在實(shí)際受力過程中的力學(xué)行為，因?yàn)閷?shí)際結(jié)構(gòu)在制作和安裝過程中不可避免地會(huì)存在一定的幾何缺陷，這些缺陷會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。通過在有限元模型中合理考慮初始幾何缺陷，能夠更準(zhǔn)確地評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震性能。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，確保網(wǎng)格質(zhì)量良好，避免出現(xiàn)畸形單元。在節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵部位，如半剛性連接節(jié)點(diǎn)、柱腳、梁端等，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，以提高計(jì)算精度。通過合理控制網(wǎng)格尺寸和分布，在保證計(jì)算精度的前提下，盡量減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。在劃分網(wǎng)格時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何形狀和受力特點(diǎn)，將不同構(gòu)件劃分為不同尺寸的單元。對(duì)于受力復(fù)雜、應(yīng)力集中的部位，如半剛性連接節(jié)點(diǎn)，采用較小的單元尺寸，以更準(zhǔn)確地捕捉應(yīng)力和應(yīng)變分布；對(duì)于受力相對(duì)簡(jiǎn)單的部位，如方鋼管柱和型鋼梁的中部，采用較大的單元尺寸，以減少計(jì)算量。通過這種方式，既保證了模型的計(jì)算精度，又提高了計(jì)算效率。3.2.2模型驗(yàn)證為了確保有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比分析。對(duì)比內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)的破壞模式、滯回曲線、骨架曲線以及關(guān)鍵部位的應(yīng)力應(yīng)變等。在破壞模式對(duì)比方面，試驗(yàn)中觀察到半剛性連接節(jié)點(diǎn)處首先出現(xiàn)明顯變形和應(yīng)力集中，端板與螺栓連接處的鋼材逐漸進(jìn)入塑性狀態(tài)，螺栓承受較大拉力和剪力，隨后端板出現(xiàn)局部屈曲，螺栓變形，梁端和柱腳部位鋼材相繼屈服，出現(xiàn)塑性鉸，最終節(jié)點(diǎn)焊縫開裂，梁和柱發(fā)生明顯彎曲變形，部分構(gòu)件出現(xiàn)局部失穩(wěn)。數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)破壞模式高度一致，同樣在半剛性連接節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)了上述一系列破壞現(xiàn)象。這表明有限元模型能夠準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)在受力過程中的破壞發(fā)展過程，驗(yàn)證了模型對(duì)結(jié)構(gòu)破壞模式的模擬能力。滯回曲線對(duì)比結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，數(shù)值模擬得到的滯回曲線與試驗(yàn)滯回曲線的形狀和變化趨勢(shì)基本一致。在彈性階段，模擬曲線和試驗(yàn)曲線均近似呈線性，荷載-位移關(guān)系符合彈性力學(xué)規(guī)律；進(jìn)入彈塑性階段后，兩者都出現(xiàn)了明顯的捏縮現(xiàn)象，表明結(jié)構(gòu)在反復(fù)加載過程中存在能量耗散。通過對(duì)比滯回曲線的面積，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在耗能能力方面也較為接近。這說明有限元模型能夠準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下的滯回性能，包括結(jié)構(gòu)的剛度變化、耗能能力以及強(qiáng)度退化等特征。骨架曲線對(duì)比結(jié)果如圖4所示。數(shù)值模擬得到的骨架曲線與試驗(yàn)骨架曲線在彈性階段、彈塑性階段和破壞階段的變化趨勢(shì)均吻合良好。彈性階段，兩者的斜率基本相同，反映出結(jié)構(gòu)的彈性剛度一致；彈塑性階段，模擬曲線和試驗(yàn)曲線的發(fā)展趨勢(shì)相似，表明結(jié)構(gòu)的剛度退化規(guī)律一致；在破壞階段，兩者的極限荷載和極限位移也較為接近。通過對(duì)比骨架曲線，進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元模型對(duì)結(jié)構(gòu)從加載到破壞全過程力學(xué)性能的模擬能力。在關(guān)鍵部位的應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比方面，選取了方鋼管柱底部、梁端以及半剛性連接節(jié)點(diǎn)處的螺栓等關(guān)鍵部位進(jìn)行分析。通過在試驗(yàn)中布置應(yīng)變片和在有限元模型中提取相應(yīng)部位的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值上較為接近，應(yīng)力分布規(guī)律也基本一致。在方鋼管柱底部，試驗(yàn)和模擬的應(yīng)力分布均呈現(xiàn)出底部受壓、頂部受拉的規(guī)律，且最大應(yīng)力值相近；在梁端，兩者的應(yīng)變分布也相似，隨著荷載的增加，梁端的應(yīng)變逐漸增大，且在相同荷載水平下，模擬應(yīng)變與試驗(yàn)應(yīng)變的偏差在可接受范圍內(nèi)；對(duì)于半剛性連接節(jié)點(diǎn)處的螺栓，模擬得到的螺栓拉力和剪力與試驗(yàn)測(cè)量值相符，驗(yàn)證了有限元模型對(duì)節(jié)點(diǎn)受力性能的模擬準(zhǔn)確性。通過以上多方面的對(duì)比分析可知，有限元模型的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，能夠準(zhǔn)確地反映半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。這為后續(xù)利用該有限元模型進(jìn)行參數(shù)分析和抗震性能研究提供了可靠的基礎(chǔ)，確保了研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。四、半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)抗震性能指標(biāo)分析4.1滯回性能滯回性能是衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它能直觀地反映結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下的力學(xué)行為，包括結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、耗能能力以及變形能力等。通過對(duì)試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的滯回曲線進(jìn)行深入分析，可以全面了解半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的工作性能。從試驗(yàn)得到的滯回曲線來看，在加載初期，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，荷載與位移之間呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，滯回曲線近似為一條直線，這表明結(jié)構(gòu)的剛度較大，能夠有效地抵抗外力作用，且在卸載后能夠恢復(fù)到初始狀態(tài)，幾乎沒有殘余變形。隨著荷載的逐漸增加，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，滯回曲線開始出現(xiàn)明顯的非線性變化，曲線呈現(xiàn)出一定的捏縮現(xiàn)象。這是因?yàn)樵趶椝苄噪A段，結(jié)構(gòu)中的材料開始進(jìn)入塑性狀態(tài)，產(chǎn)生塑性變形，同時(shí)節(jié)點(diǎn)部位也發(fā)生了相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度逐漸降低，耗能能力逐漸增強(qiáng)。捏縮現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于結(jié)構(gòu)在加載和卸載過程中，材料的非線性行為、節(jié)點(diǎn)的摩擦以及構(gòu)件的局部屈曲等因素共同作用的結(jié)果。在加載過程中，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力逐漸增大，當(dāng)達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，材料開始進(jìn)入塑性狀態(tài)，產(chǎn)生不可逆的塑性變形。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)部位的螺栓會(huì)發(fā)生拉伸和剪切變形，端板也會(huì)出現(xiàn)局部屈曲，這些都會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度降低，耗能增加。在卸載過程中，由于材料的塑性變形和節(jié)點(diǎn)的摩擦作用，結(jié)構(gòu)的變形不能完全恢復(fù)，從而形成了滯回曲線的捏縮現(xiàn)象。數(shù)值模擬得到的滯回曲線與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性。通過對(duì)比不同模型的滯回曲線，可以發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)滯回曲線的形狀和飽滿程度有著顯著的影響。當(dāng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較大時(shí)，滯回曲線較為飽滿，捏縮現(xiàn)象相對(duì)不明顯，這說明結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下的耗能能力較強(qiáng)，變形能力相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)的抗震穩(wěn)定性較好。這是因?yàn)檩^大的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度能夠有效地限制節(jié)點(diǎn)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)在受力過程中更加接近剛性連接，從而提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載能力。相反，當(dāng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較小時(shí)，滯回曲線的捏縮現(xiàn)象較為明顯，曲線相對(duì)較瘦，這表明結(jié)構(gòu)的耗能能力較弱，變形能力較大，結(jié)構(gòu)的抗震穩(wěn)定性相對(duì)較差。較小的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度使得節(jié)點(diǎn)在受力時(shí)容易發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，構(gòu)件的受力狀態(tài)更加復(fù)雜，從而降低了結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載能力。在地震作用下，這種結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生較大的變形，甚至可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。為了更直觀地評(píng)估結(jié)構(gòu)的耗能能力，引入耗能系數(shù)E來進(jìn)行量化分析。耗能系數(shù)E的計(jì)算公式為：E=\frac{\ointF\mathrmeiq6oa6D}{2\piF_yD_y}其中，\ointF\mathrm86o00ukD表示滯回曲線所包圍的面積，即結(jié)構(gòu)在一個(gè)加載循環(huán)中消耗的能量；F_y為結(jié)構(gòu)的屈服荷載；D_y為結(jié)構(gòu)的屈服位移。根據(jù)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，計(jì)算得到不同模型的耗能系數(shù)如表2所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的增加，耗能系數(shù)逐漸增大，這進(jìn)一步表明節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較大時(shí)，結(jié)構(gòu)的耗能能力更強(qiáng)，能夠更好地消耗地震能量，減輕結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的抗震穩(wěn)定性。模型編號(hào)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度(kN?m/rad)耗能系數(shù)EM110000.35M220000.42M330000.50滯回曲線的飽滿程度還與結(jié)構(gòu)的破壞模式密切相關(guān)。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生延性破壞時(shí)，滯回曲線較為飽滿，說明結(jié)構(gòu)在破壞前能夠經(jīng)歷較大的變形，消耗較多的能量，具有較好的抗震性能。在試驗(yàn)中觀察到，當(dāng)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件具有較好的延性時(shí)，滯回曲線在達(dá)到極限荷載后，仍能保持一定的承載能力，并且隨著變形的增加，曲線逐漸下降，表現(xiàn)出明顯的延性特征。相反，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞時(shí)，滯回曲線往往不夠飽滿，在達(dá)到極限荷載后，曲線迅速下降，結(jié)構(gòu)的承載能力急劇喪失，抗震性能較差。綜上所述，半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)的滯回性能受節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度等因素的顯著影響。節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較大時(shí)，結(jié)構(gòu)的滯回曲線飽滿，耗能能力強(qiáng)，抗震穩(wěn)定性好；節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較小時(shí)，滯回曲線捏縮明顯，耗能能力弱，抗震穩(wěn)定性相對(duì)較差。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)合理選擇節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，以提高結(jié)構(gòu)的滯回性能和抗震安全性。4.2骨架曲線與強(qiáng)度退化骨架曲線作為滯回曲線的外包線，能夠清晰地展現(xiàn)結(jié)構(gòu)從開始加載直至破壞這一全過程中荷載與位移之間的關(guān)系，是評(píng)估結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵依據(jù)。通過對(duì)試驗(yàn)和數(shù)值模擬獲得的骨架曲線進(jìn)行深入剖析，可以準(zhǔn)確地確定結(jié)構(gòu)的屈服荷載、極限荷載、屈服位移、極限位移等重要參數(shù)，從而全面地了解結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形能力。以試驗(yàn)得到的骨架曲線為例，在加載的初始階段，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，荷載與位移呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，此時(shí)骨架曲線的斜率即為結(jié)構(gòu)的彈性剛度，該階段結(jié)構(gòu)的變形主要是由材料的彈性變形引起的，構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)均未出現(xiàn)明顯的非線性行為。隨著荷載的逐漸增加，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，荷載增長(zhǎng)的速度逐漸變緩，而位移增長(zhǎng)的速度則加快，骨架曲線的斜率逐漸減小，這表明結(jié)構(gòu)的剛度開始逐漸降低。這是因?yàn)樵趶椝苄噪A段，結(jié)構(gòu)中的部分材料開始進(jìn)入塑性狀態(tài)，產(chǎn)生塑性變形，同時(shí)節(jié)點(diǎn)部位也發(fā)生了相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體剛度下降。當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到極限荷載時(shí)，此時(shí)結(jié)構(gòu)的承載能力達(dá)到最大值。此后，隨著位移的進(jìn)一步增加，荷載開始下降，結(jié)構(gòu)進(jìn)入破壞階段。在破壞階段，結(jié)構(gòu)的變形急劇增大，構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的損傷不斷累積，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)喪失承載能力。通過對(duì)骨架曲線的分析，可以確定結(jié)構(gòu)的極限承載力和極限位移，這對(duì)于評(píng)估結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性具有重要意義。為了更直觀地展示半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度退化規(guī)律，引入強(qiáng)度退化系數(shù)K_d進(jìn)行量化分析。強(qiáng)度退化系數(shù)K_d的計(jì)算公式為：K_d=\frac{F_i}{F_{max}}其中，F(xiàn)_i為第i次循環(huán)加載時(shí)的峰值荷載；F_{max}為所有循環(huán)加載過程中的最大峰值荷載。根據(jù)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，繪制出強(qiáng)度退化系數(shù)隨加載循環(huán)次數(shù)的變化曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，在加載初期，強(qiáng)度退化系數(shù)較為穩(wěn)定，表明結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度變化較小，這是因?yàn)樵诩虞d初期，結(jié)構(gòu)主要處于彈性階段，材料和節(jié)點(diǎn)的損傷較小。隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加，強(qiáng)度退化系數(shù)逐漸減小，說明結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度逐漸降低，這是由于結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下，材料的損傷不斷積累，節(jié)點(diǎn)的連接性能逐漸下降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力逐漸降低。在實(shí)際工程中，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度退化會(huì)對(duì)其抗震性能產(chǎn)生重要影響。當(dāng)結(jié)構(gòu)在地震作用下經(jīng)歷多次加載循環(huán)后，強(qiáng)度的降低可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在后續(xù)的地震作用中提前破壞，從而威脅到結(jié)構(gòu)的安全。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮強(qiáng)度退化的影響，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度儲(chǔ)備，以保證結(jié)構(gòu)在地震作用下具有足夠的安全性。不同節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)骨架曲線和強(qiáng)度退化也有著顯著的影響。當(dāng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較大時(shí)，骨架曲線在彈性階段和彈塑性階段的斜率相對(duì)較大，這意味著結(jié)構(gòu)的初始剛度和屈服后剛度都較大，結(jié)構(gòu)能夠承受更大的荷載，極限荷載也相對(duì)較高。同時(shí)，在相同的加載循環(huán)次數(shù)下，強(qiáng)度退化系數(shù)相對(duì)較小，說明結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度退化速度較慢，結(jié)構(gòu)的抗震性能較好。這是因?yàn)檩^大的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度能夠有效地限制節(jié)點(diǎn)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)在受力過程中更加接近剛性連接，從而提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載能力，減少了結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下的損傷。相反，當(dāng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較小時(shí)，骨架曲線在彈性階段和彈塑性階段的斜率相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)的初始剛度和屈服后剛度都較小，極限荷載也較低。而且，強(qiáng)度退化系數(shù)相對(duì)較大，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度退化速度較快，抗震性能相對(duì)較差。較小的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度使得節(jié)點(diǎn)在受力時(shí)容易發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，構(gòu)件的受力狀態(tài)更加復(fù)雜，從而降低了結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載能力，加速了結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下的損傷。綜上所述，半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)的骨架曲線能夠全面反映結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形性能，強(qiáng)度退化系數(shù)則能定量地描述結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨加載循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)骨架曲線和強(qiáng)度退化有著重要影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際需求合理選擇節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)的抗震性能，確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性和可靠性。4.3剛度退化結(jié)構(gòu)剛度是衡量其抵抗變形能力的關(guān)鍵指標(biāo)，在地震作用下，結(jié)構(gòu)剛度的變化對(duì)其抗震性能有著至關(guān)重要的影響。隨著地震作用的持續(xù)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部材料會(huì)逐漸進(jìn)入塑性狀態(tài)，構(gòu)件之間的連接也會(huì)發(fā)生變形，這些因素都會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度不斷退化。剛度退化不僅會(huì)使結(jié)構(gòu)在相同荷載作用下的變形增大，還會(huì)改變結(jié)構(gòu)的自振周期和振型，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。因此，深入研究半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)的剛度退化規(guī)律，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估其抗震性能具有重要意義。結(jié)構(gòu)的剛度退化通常通過割線剛度來進(jìn)行量化分析，割線剛度的計(jì)算公式為：K_{i}=\frac{F_{i}^{+}-F_{i}^{-}}{\Delta_{i}^{+}-\Delta_{i}^{-}}其中，K_{i}為第i次循環(huán)加載時(shí)的割線剛度；F_{i}^{+}和F_{i}^{-}分別為第i次循環(huán)加載時(shí)的正向和反向峰值荷載；\Delta_{i}^{+}和\Delta_{i}^{-}分別為對(duì)應(yīng)于正向和反向峰值荷載時(shí)的位移。根據(jù)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，繪制出割線剛度隨位移變化的曲線，如圖6所示。從圖中可以清晰地看出，在加載初期，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，割線剛度基本保持不變，這表明結(jié)構(gòu)的剛度穩(wěn)定，能夠有效地抵抗外力作用，變形主要是由材料的彈性變形引起的。隨著荷載的逐漸增加，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，割線剛度開始逐漸下降，且下降速度逐漸加快。這是因?yàn)樵趶椝苄噪A段，結(jié)構(gòu)中的材料開始屈服，產(chǎn)生塑性變形，節(jié)點(diǎn)部位也發(fā)生了相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體剛度降低。當(dāng)結(jié)構(gòu)接近破壞時(shí)，割線剛度急劇下降，結(jié)構(gòu)的變形迅速增大，表明結(jié)構(gòu)的承載能力和抵抗變形的能力已大幅減弱。不同節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)剛度退化也有著顯著的影響。當(dāng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較大時(shí)，在加載初期，結(jié)構(gòu)的割線剛度相對(duì)較大，這意味著結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抵抗變形能力。隨著加載的進(jìn)行，剛度退化速度相對(duì)較慢，這是因?yàn)檩^大的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度能夠有效地限制節(jié)點(diǎn)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)在受力過程中更加接近剛性連接，從而延緩了結(jié)構(gòu)剛度的降低。在相同的位移水平下，具有較大節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的結(jié)構(gòu)能夠承受更大的荷載，說明其抗震性能較好。相反，當(dāng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較小時(shí)，結(jié)構(gòu)在加載初期的割線剛度相對(duì)較小，抵抗變形的能力較弱。而且，剛度退化速度相對(duì)較快，在較小的位移下，割線剛度就會(huì)顯著下降。這是因?yàn)檩^小的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度使得節(jié)點(diǎn)在受力時(shí)容易發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，構(gòu)件的受力狀態(tài)更加復(fù)雜，從而加速了結(jié)構(gòu)剛度的退化。在地震作用下，這種結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生較大的變形，抗震性能相對(duì)較差。為了進(jìn)一步分析剛度退化對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，通過數(shù)值模擬對(duì)比了不同剛度退化程度下結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)。結(jié)果表明，隨著剛度退化程度的增加，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移顯著增大，結(jié)構(gòu)的自振周期也逐漸變長(zhǎng)。這是因?yàn)閯偠鹊慕档褪沟媒Y(jié)構(gòu)的抵抗變形能力減弱，在地震作用下更容易發(fā)生變形。自振周期的變化會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特性發(fā)生改變，可能使結(jié)構(gòu)在某些地震波作用下的響應(yīng)更加不利。剛度退化還會(huì)影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布。隨著剛度的降低，結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力會(huì)發(fā)生重分布，原本受力較小的構(gòu)件可能會(huì)承擔(dān)更大的內(nèi)力，從而增加了結(jié)構(gòu)局部破壞的風(fēng)險(xiǎn)。在設(shè)計(jì)半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)充分考慮剛度退化的影響，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的剛度，以保證結(jié)構(gòu)在地震作用下具有足夠的安全性和穩(wěn)定性?？梢酝ㄟ^優(yōu)化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、增加構(gòu)件的截面尺寸或采用高強(qiáng)度材料等方式，提高結(jié)構(gòu)的初始剛度和抵抗剛度退化的能力。4.4延性性能延性作為衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有舉足輕重的地位。它能夠直觀地反映結(jié)構(gòu)在大變形情況下的變形能力和耗能潛力，對(duì)于評(píng)估結(jié)構(gòu)在地震等災(zāi)害作用下的安全性和可靠性起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)結(jié)構(gòu)遭遇強(qiáng)烈地震時(shí)，良好的延性可以使結(jié)構(gòu)在發(fā)生較大變形的情況下，仍能保持一定的承載能力，避免突然倒塌，從而為人員疏散和救援工作爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間。結(jié)構(gòu)的延性通常通過延性系數(shù)來進(jìn)行量化評(píng)估，延性系數(shù)的計(jì)算公式為：\mu=\frac{\Delta_{u}}{\Delta_{y}}其中，\mu為延性系數(shù)；\Delta_{u}為極限位移，是指結(jié)構(gòu)在達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)的最大位移；\Delta_{y}為屈服位移，是結(jié)構(gòu)從彈性階段進(jìn)入彈塑性階段的標(biāo)志位移。根據(jù)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，計(jì)算得到不同模型的延性系數(shù)如表3所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)具有一定的延性。其中，試件S1的延性系數(shù)為2.60，試件S2的延性系數(shù)為2.62，試件S3的延性系數(shù)為2.62。數(shù)值模擬模型M1的延性系數(shù)為2.58，模型M2的延性系數(shù)為2.65，模型M3的延性系數(shù)為2.70。試件編號(hào)屈服位移(mm)極限位移(mm)延性系數(shù)\muS125.365.82.60S226.168.52.62S325.767.22.62M125.064.52.58M225.567.62.65M326.070.22.70不同節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)延性也有著顯著的影響。當(dāng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度增大時(shí)，結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。以數(shù)值模擬模型為例，模型M1的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為1000kN?m/rad，延性系數(shù)為2.58；模型M2的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度增大到2000kN?m/rad，延性系數(shù)提高到2.65；模型M3的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度進(jìn)一步增大到3000kN?m/rad，延性系數(shù)達(dá)到2.70。這是因?yàn)檩^大的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度能夠有效地限制節(jié)點(diǎn)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)在受力過程中更加接近剛性連接，從而提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載能力。在地震作用下，結(jié)構(gòu)能夠承受更大的變形而不發(fā)生破壞，表現(xiàn)出更好的延性。相反，當(dāng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較小時(shí)，結(jié)構(gòu)的延性相對(duì)較差。較小的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度使得節(jié)點(diǎn)在受力時(shí)容易發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，構(gòu)件的受力狀態(tài)更加復(fù)雜，從而降低了結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載能力。在地震作用下，這種結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生較大的變形，甚至可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞，延性系數(shù)也相對(duì)較小。延性性能還與結(jié)構(gòu)的破壞模式密切相關(guān)。在試驗(yàn)中觀察到，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生延性破壞時(shí)，構(gòu)件會(huì)經(jīng)歷較大的塑性變形，結(jié)構(gòu)的變形能力得到充分發(fā)揮，滯回曲線較為飽滿，耗能能力較強(qiáng)。在半剛性連接節(jié)點(diǎn)處，端板和螺栓會(huì)發(fā)生較大的塑性變形，吸收大量的地震能量，從而保證結(jié)構(gòu)在大變形情況下仍能保持一定的承載能力。而當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞時(shí)，構(gòu)件往往在沒有明顯塑性變形的情況下突然斷裂，結(jié)構(gòu)的變形能力無法得到充分發(fā)揮，滯回曲線不夠飽滿，耗能能力較弱，延性系數(shù)也較小。綜上所述，半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)具有一定的延性，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)延性有著重要影響。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)合理選擇節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，以提高結(jié)構(gòu)的延性性能，確保結(jié)構(gòu)在地震等災(zāi)害作用下具有足夠的安全性和可靠性。4.5耗能能力在地震作用下，結(jié)構(gòu)的耗能能力是衡量其抗震性能的重要指標(biāo)之一。半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)通過多種方式消耗地震能量，從而減輕結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的抗震安全性。在低周反復(fù)加載試驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)的耗能主要來源于構(gòu)件的塑性變形和節(jié)點(diǎn)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到水平荷載作用時(shí)，方鋼管柱和型鋼梁會(huì)發(fā)生彎曲變形，在構(gòu)件進(jìn)入塑性階段后，材料的塑性變形會(huì)消耗大量的能量。半剛性連接節(jié)點(diǎn)處，端板與螺栓之間的摩擦、端板的局部屈曲以及螺栓的拉伸和剪切變形等也會(huì)消耗能量。這些耗能機(jī)制相互作用，共同為結(jié)構(gòu)提供了耗能能力。通過對(duì)試驗(yàn)得到的滯回曲線進(jìn)行分析，可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)在每個(gè)加載循環(huán)中的耗能。滯回曲線所包圍的面積即為結(jié)構(gòu)在一個(gè)加載循環(huán)中消耗的能量，將各個(gè)加載循環(huán)的耗能累加起來，即可得到結(jié)構(gòu)在整個(gè)加載過程中的總耗能。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試件S1的總耗能為185.6kN?m，試件S2的總耗能為192.4kN?m，試件S3的總耗能為189.5kN?m。這些數(shù)據(jù)表明，半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)具有一定的耗能能力，能夠在地震作用下有效地消耗能量，減輕結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。在數(shù)值模擬中，同樣可以通過計(jì)算滯回曲線所包圍的面積來得到結(jié)構(gòu)的耗能。以數(shù)值模擬模型M1為例，在整個(gè)加載過程中，結(jié)構(gòu)的總耗能為183.2kN?m，與試驗(yàn)結(jié)果較為接近。通過對(duì)不同節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的數(shù)值模型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的耗能能力有著顯著的影響。當(dāng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度增大時(shí)，結(jié)構(gòu)的耗能能力也隨之增強(qiáng)。模型M2的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為2000kN?m/rad，總耗能為190.5kN?m；模型M3的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為3000kN?m/rad，總耗能為202.8kN?m。這是因?yàn)檩^大的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度能夠使結(jié)構(gòu)在受力過程中更加接近剛性連接，構(gòu)件的變形更加協(xié)調(diào)，從而能夠更有效地利用材料的塑性變形和節(jié)點(diǎn)的耗能機(jī)制，提高結(jié)構(gòu)的耗能能力。為了更深入地分析結(jié)構(gòu)的耗能特性，引入等效粘滯阻尼系數(shù)\xi_{eq}來進(jìn)行量化評(píng)估。等效粘滯阻尼系數(shù)的計(jì)算公式為：\xi_{eq}=\frac{1}{2\pi}\frac{E_D}{E_S}其中，E_D為結(jié)構(gòu)在一個(gè)加載循環(huán)中消耗的能量，即滯回曲線所包圍的面積；E_S為結(jié)構(gòu)在彈性階段的應(yīng)變能，可通過公式E_S=\frac{1}{2}K\Delta^2計(jì)算，其中K為結(jié)構(gòu)的彈性剛度，\Delta為結(jié)構(gòu)在該加載循環(huán)中的最大位移。根據(jù)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，計(jì)算得到不同模型的等效粘滯阻尼系數(shù)如表4所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)的等效粘滯阻尼系數(shù)在0.15-0.20之間，表明結(jié)構(gòu)具有較好的耗能能力。隨著節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的增加，等效粘滯阻尼系數(shù)也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，進(jìn)一步說明節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較大時(shí)，結(jié)構(gòu)的耗能能力更強(qiáng)。模型編號(hào)等效粘滯阻尼系數(shù)\xi_{eq}S10.16S20.17S30.16M10.15M20.18M30.20結(jié)構(gòu)的耗能能力還與結(jié)構(gòu)的破壞模式密切相關(guān)。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生延性破壞時(shí)，結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)歷較大的塑性變形，滯回曲線較為飽滿，耗能能力較強(qiáng)。在試驗(yàn)中觀察到，當(dāng)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件具有較好的延性時(shí)，結(jié)構(gòu)在破壞前能夠消耗大量的能量，從而保證結(jié)構(gòu)在地震作用下具有較好的抗震性能。相反，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞時(shí)，結(jié)構(gòu)的耗能能力較弱，在地震作用下容易發(fā)生突然倒塌，對(duì)生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。綜上所述，半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)具有一定的耗能能力，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的耗能能力有著重要影響。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)合理選擇節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，以提高結(jié)構(gòu)的耗能能力，確保結(jié)構(gòu)在地震作用下具有足夠的安全性和可靠性。五、影響半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)抗震性能的因素5.1節(jié)點(diǎn)參數(shù)節(jié)點(diǎn)作為半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，其參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能有著至關(guān)重要的影響。節(jié)點(diǎn)連接方式、螺栓布置以及端板厚度等參數(shù)的變化，都會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的改變，進(jìn)而影響整個(gè)結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)。不同的節(jié)點(diǎn)連接方式具有不同的力學(xué)性能和變形特征。常見的端板連接節(jié)點(diǎn)、腹板雙角鋼連接節(jié)點(diǎn)和頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點(diǎn)，在受力過程中表現(xiàn)出明顯的差異。端板連接節(jié)點(diǎn)通過端板和高強(qiáng)螺栓將梁與柱連接在一起，其抗彎剛度相對(duì)較大，能夠有效地傳遞彎矩，使結(jié)構(gòu)在受力時(shí)保持較好的整體性。在地震作用下，端板連接節(jié)點(diǎn)能夠承受較大的彎矩和剪力，限制節(jié)點(diǎn)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震穩(wěn)定性。腹板雙角鋼連接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度相對(duì)較小，屬于柔性半剛性連接節(jié)點(diǎn)。在受力時(shí)，腹板雙角鋼連接節(jié)點(diǎn)主要通過角鋼的變形來適應(yīng)梁與柱之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，其耗能能力相對(duì)較強(qiáng)，但承載能力和剛度相對(duì)較低。在地震作用下，腹板雙角鋼連接節(jié)點(diǎn)能夠通過自身的變形消耗部分地震能量，減輕結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，但由于其剛度較低，結(jié)構(gòu)的變形相對(duì)較大。頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點(diǎn)的受力性能介于端板連接節(jié)點(diǎn)和腹板雙角鋼連接節(jié)點(diǎn)之間，具有一定的抗彎和抗剪能力，同時(shí)也具有較好的延性和耗能能力。在地震作用下，頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點(diǎn)能夠在一定程度上傳遞彎矩和剪力，同時(shí)通過自身的變形消耗地震能量，保證結(jié)構(gòu)的抗震性能。螺栓布置方式對(duì)節(jié)點(diǎn)的受力性能和結(jié)構(gòu)的抗震性能也有著顯著影響。螺栓的數(shù)量、間距以及排列方式等都會(huì)影響節(jié)點(diǎn)的傳力路徑和受力狀態(tài)。增加螺栓數(shù)量可以提高節(jié)點(diǎn)的承載能力和剛度，使節(jié)點(diǎn)在受力時(shí)能夠更有效地傳遞內(nèi)力。當(dāng)螺栓數(shù)量不足時(shí)，節(jié)點(diǎn)在承受較大荷載時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)螺栓剪斷或松動(dòng)的情況，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的連接性能下降，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的抗震性能。螺栓間距過大或過小也會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)的受力性能產(chǎn)生不利影響。螺栓間距過大，會(huì)使節(jié)點(diǎn)的傳力不均勻，容易導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力集中，降低節(jié)點(diǎn)的承載能力；螺栓間距過小，會(huì)增加施工難度，同時(shí)也可能會(huì)影響螺栓的擰緊效果，降低節(jié)點(diǎn)的連接性能。合理的螺栓排列方式能夠使節(jié)點(diǎn)在受力時(shí)更加均勻地傳遞內(nèi)力，提高節(jié)點(diǎn)的承載能力和抗震性能。在設(shè)計(jì)螺栓布置時(shí)，應(yīng)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的受力情況和結(jié)構(gòu)的抗震要求，合理確定螺栓的數(shù)量、間距和排列方式，以確保節(jié)點(diǎn)的連接性能和結(jié)構(gòu)的抗震性能。端板厚度是影響節(jié)點(diǎn)抗彎剛度和承載能力的重要參數(shù)。增加端板厚度可以顯著提高節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度和承載能力。當(dāng)端板厚度較小時(shí)，端板在承受彎矩時(shí)容易發(fā)生局部屈曲，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度和承載能力下降。隨著端板厚度的增加，端板的抗彎能力增強(qiáng)，能夠更好地抵抗彎矩的作用，使節(jié)點(diǎn)在受力時(shí)更加穩(wěn)定。在地震作用下，較厚的端板能夠承受更大的彎矩和剪力，減少節(jié)點(diǎn)的變形和損傷，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。但端板厚度也并非越大越好，過大的端板厚度會(huì)增加材料成本和施工難度，同時(shí)也可能會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的脆性增加。在設(shè)計(jì)端板厚度時(shí)，應(yīng)綜合考慮節(jié)點(diǎn)的受力要求、材料成本和施工工藝等因素，合理確定端板厚度，以達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益和抗震性能。為了更深入地研究節(jié)點(diǎn)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，通過數(shù)值模擬建立了一系列不同節(jié)點(diǎn)參數(shù)的半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架模型。在模型中，分別改變節(jié)點(diǎn)連接方式、螺栓布置和端板厚度等參數(shù)，分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)。通過對(duì)比不同模型的滯回曲線、骨架曲線、耗能能力和延性等抗震性能指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)連接方式對(duì)結(jié)構(gòu)的滯回曲線形狀和耗能能力影響較大，端板連接節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)滯回曲線較為飽滿，耗能能力較強(qiáng)；螺栓布置主要影響結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度，合理的螺栓布置能夠提高結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度；端板厚度對(duì)結(jié)構(gòu)的抗彎剛度和承載能力影響顯著，增加端板厚度可以提高結(jié)構(gòu)的抗彎剛度和承載能力，改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。5.2構(gòu)件尺寸與材料性能方鋼管柱和型鋼梁作為半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力構(gòu)件，其截面尺寸和材料強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能有著深遠(yuǎn)影響。構(gòu)件的截面尺寸直接決定了其承載能力和剛度，而材料強(qiáng)度則影響著構(gòu)件在受力過程中的變形能力和耗能特性。在構(gòu)件截面尺寸方面，方鋼管柱的截面邊長(zhǎng)和壁厚對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能起著關(guān)鍵作用。當(dāng)方鋼管柱的截面邊長(zhǎng)增大時(shí)，其抗彎和抗扭能力顯著增強(qiáng)，能夠更好地承受來自水平和豎向荷載的作用。在地震作用下，較大截面邊長(zhǎng)的方鋼管柱可以提供更大的側(cè)向剛度，限制結(jié)構(gòu)的側(cè)移，從而減少結(jié)構(gòu)因過大變形而導(dǎo)致的破壞風(fēng)險(xiǎn)。壁厚的增加也能有效提高方鋼管柱的局部穩(wěn)定性和承載能力。較厚的壁厚可以增強(qiáng)方鋼管柱對(duì)局部屈曲的抵抗能力，使柱子在承受較大壓力時(shí)不易發(fā)生局部失穩(wěn)，從而保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。對(duì)于型鋼梁，其截面高度和翼緣寬度對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能同樣重要。截面高度的增加能夠顯著提高型鋼梁的抗彎能力，使其在承受豎向荷載產(chǎn)生的彎矩時(shí)，能夠更好地發(fā)揮材料的力學(xué)性能，減少梁的變形。翼緣寬度的增大則可以增強(qiáng)型鋼梁的抗扭能力，提高梁在扭轉(zhuǎn)荷載作用下的穩(wěn)定性。在地震作用下，結(jié)構(gòu)中的梁往往會(huì)承受復(fù)雜的彎矩和扭矩作用，合理增大型鋼梁的截面高度和翼緣寬度，能夠有效提高梁的承載能力和變形能力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能。為了更直觀地了解構(gòu)件截面尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，通過數(shù)值模擬建立了一系列不同截面尺寸的半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架模型。在模型中，分別改變方鋼管柱的截面邊長(zhǎng)和壁厚，以及型鋼梁的截面高度和翼緣寬度，分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)。通過對(duì)比不同模型的滯回曲線、骨架曲線、耗能能力和延性等抗震性能指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)隨著方鋼管柱截面邊長(zhǎng)和壁厚的增加，結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度顯著提高，滯回曲線更加飽滿，耗能能力增強(qiáng)，延性也有所改善。同樣，隨著型鋼梁截面高度和翼緣寬度的增加，結(jié)構(gòu)的抗彎和抗扭能力增強(qiáng)，抗震性能得到明顯提升。材料強(qiáng)度也是影響結(jié)構(gòu)抗震性能的重要因素。當(dāng)鋼材強(qiáng)度等級(jí)提高時(shí)，方鋼管柱和型鋼梁的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度相應(yīng)增加，構(gòu)件的承載能力得到顯著提升。在地震作用下，高強(qiáng)度鋼材能夠承受更大的荷載，減少構(gòu)件的變形和損傷，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。高強(qiáng)度鋼材還具有更好的變形能力和耗能特性。在結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段后，高強(qiáng)度鋼材能夠通過自身的塑性變形消耗更多的地震能量，延緩結(jié)構(gòu)的破壞進(jìn)程，提高結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力。通過數(shù)值模擬對(duì)比了不同鋼材強(qiáng)度等級(jí)下結(jié)構(gòu)的抗震性能。建立了分別采用Q235、Q345和Q420鋼材的半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架模型，分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)。結(jié)果表明，隨著鋼材強(qiáng)度等級(jí)的提高，結(jié)構(gòu)的屈服荷載和極限荷載明顯增加，滯回曲線更加飽滿，耗能能力增強(qiáng)，延性也有所提高。采用Q420鋼材的結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形明顯小于采用Q235鋼材的結(jié)構(gòu)，說明高強(qiáng)度鋼材能夠有效提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。構(gòu)件尺寸和材料強(qiáng)度對(duì)半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)的抗震性能有著重要影響。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際需求，合理選擇方鋼管柱和型鋼梁的截面尺寸以及鋼材強(qiáng)度等級(jí)，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)的抗震性能，確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性和可靠性。5.3軸壓比軸壓比作為影響半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)抗震性能的重要因素之一，對(duì)結(jié)構(gòu)在地震作用下的力學(xué)行為和破壞模式有著顯著的影響。軸壓比是指柱組合的軸壓力設(shè)計(jì)值與柱的全截面面積和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積之比值，它反映了柱子在豎向荷載作用下的受壓程度。在半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)中，軸壓比的大小直接影響著方鋼管柱的承載能力、變形能力以及結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。為了深入研究軸壓比變化對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響規(guī)律，通過數(shù)值模擬建立了一系列不同軸壓比的半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架模型。在模型中，保持其他參數(shù)不變，僅改變軸壓比的大小，分別取0.2、0.4、0.6和0.8進(jìn)行分析。對(duì)這些模型施加相同的地震波激勵(lì)，分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)。隨著軸壓比的增大，結(jié)構(gòu)的承載能力呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。在軸壓比較小時(shí)，增加軸壓比可以提高方鋼管柱的抗壓能力，使結(jié)構(gòu)能夠承受更大的豎向荷載，從而提高結(jié)構(gòu)的承載能力。當(dāng)軸壓比超過一定值后，繼續(xù)增加軸壓比會(huì)導(dǎo)致方鋼管柱在地震作用下更容易發(fā)生局部屈曲和失穩(wěn)，從而降低結(jié)構(gòu)的承載能力。當(dāng)軸壓比為0.4時(shí)，結(jié)構(gòu)的承載能力相對(duì)較高，能夠較好地承受地震作用；而當(dāng)軸壓比增大到0.8時(shí)，結(jié)構(gòu)的承載能力明顯下降，在相同地震作用下更容易發(fā)生破壞。軸壓比對(duì)結(jié)構(gòu)的變形能力也有著重要影響。隨著軸壓比的增大，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移逐漸增大，結(jié)構(gòu)的變形能力逐漸減弱。這是因?yàn)檩S壓比的增加會(huì)使方鋼管柱的剛度增大，在地震作用下，結(jié)構(gòu)的變形主要集中在梁和節(jié)點(diǎn)部位，而柱的變形相對(duì)較小。當(dāng)軸壓比過大時(shí)，柱的剛度過大，梁和節(jié)點(diǎn)部位的變形能力無法充分發(fā)揮，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體變形能力下降。在軸壓比為0.2時(shí)，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移相對(duì)較小，變形能力較強(qiáng)；而當(dāng)軸壓比增大到0.8時(shí)，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移明顯增大，變形能力明顯減弱。從耗能能力來看，軸壓比的變化對(duì)結(jié)構(gòu)的耗能能力也有一定影響。在一定范圍內(nèi)，隨著軸壓比的增大，結(jié)構(gòu)的耗能能力逐漸增強(qiáng)。這是因?yàn)檩S壓比的增加會(huì)使結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力增大，從而導(dǎo)致構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的塑性變形增加，耗能能力增強(qiáng)。當(dāng)軸壓比超過一定值后，繼續(xù)增大軸壓比會(huì)使結(jié)構(gòu)的破壞提前發(fā)生，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的耗能能力下降。當(dāng)軸壓比為0.4時(shí)，結(jié)構(gòu)的耗能能力相對(duì)較強(qiáng)，能夠有效地消耗地震能量；而當(dāng)軸壓比增大到0.8時(shí)，結(jié)構(gòu)的耗能能力明顯下降，在地震作用下無法充分發(fā)揮耗能作用。綜合考慮結(jié)構(gòu)的承載能力、變形能力和耗能能力等因素，確定合理的軸壓比范圍對(duì)于半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)至關(guān)重要。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和相關(guān)研究，建議在設(shè)計(jì)半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)時(shí)，軸壓比宜控制在0.4-0.6之間。在這個(gè)范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)能夠在保證一定承載能力的前提下，具有較好的變形能力和耗能能力，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，還應(yīng)根據(jù)具體的工程情況，如結(jié)構(gòu)的高度、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件等，合理調(diào)整軸壓比，以確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性和可靠性。5.4地震波特性地震波作為地震能量的傳播載體，其特性對(duì)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有著至關(guān)重要的影響。不同地震波具有獨(dú)特的頻譜特性和峰值加速度，這些特性會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生不同的響應(yīng)，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的抗震性能。地震波的頻譜特性反映了地震波中不同頻率成分的分布情況。在結(jié)構(gòu)抗震分析中，地震波的頻譜特性與結(jié)構(gòu)的自振頻率密切相關(guān)。當(dāng)?shù)卣鸩ǖ闹饕l率成分與結(jié)構(gòu)的自振頻率接近時(shí)，會(huì)引發(fā)共振現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)顯著增大。對(duì)于半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)，其自振頻率受到結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件尺寸、節(jié)點(diǎn)剛度等多種因素的影響。當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振頻率與地震波中高頻成分接近時(shí)，結(jié)構(gòu)在高頻振動(dòng)下的響應(yīng)會(huì)增大，構(gòu)件的內(nèi)力和變形也會(huì)相應(yīng)增加，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生不利影響。在一些地震波作用下，結(jié)構(gòu)的梁和柱會(huì)出現(xiàn)較大的振動(dòng)響應(yīng)，導(dǎo)致構(gòu)件的應(yīng)力集中和疲勞損傷加劇。為了更直觀地研究地震波頻譜特性對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，通過數(shù)值模擬選取了具有不同頻譜特性的地震波，如EI-Centro波、Taft波和Northridge波，對(duì)同一半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架模型進(jìn)行時(shí)程分析。EI-Centro波是1940年美國(guó)埃爾森特羅地震記錄的地震波，其頻譜特性較為豐富，包含了多個(gè)頻率成分，其中高頻成分相對(duì)較多。Taft波是1952年美國(guó)塔夫脫地震記錄的地震波，其頻譜特性與EI-Centro波有所不同，低頻成分相對(duì)較多。Northridge波是1994年美國(guó)北嶺地震記錄的地震波，其頻譜特性具有明顯的特征，在某些頻率段能量較為集中。分析結(jié)果表明，當(dāng)輸入EI-Centro波時(shí)，由于其高頻成分較多，結(jié)構(gòu)在高頻振動(dòng)下的響應(yīng)較為明顯，構(gòu)件的內(nèi)力和變形相對(duì)較大。在梁端和柱腳等部位，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)的損傷發(fā)展較快。而輸入Taft波時(shí)，由于其低頻成分較多，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)主要集中在低頻段，構(gòu)件的內(nèi)力和變形相對(duì)較小，但結(jié)構(gòu)的整體位移較大。輸入Northridge波時(shí)，由于其頻譜特性的特殊性，結(jié)構(gòu)在某些特定頻率下的響應(yīng)顯著增大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)更加復(fù)雜。峰值加速度是地震波的另一個(gè)重要特性，它直接反映了地震的強(qiáng)烈程度。峰值加速度的大小對(duì)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有著顯著的影響。當(dāng)峰值加速度增大時(shí)，結(jié)構(gòu)所受到的地震力也會(huì)相應(yīng)增大，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形增大。在半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)中，隨著峰值加速度的增加，方鋼管柱和型鋼梁的應(yīng)力和應(yīng)變明顯增大，節(jié)點(diǎn)部位的受力也更加復(fù)雜。在高峰值加速度的地震波作用下，節(jié)點(diǎn)處的螺栓可能會(huì)發(fā)生剪斷或松動(dòng)，端板會(huì)出現(xiàn)局部屈曲，從而影響結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。通過數(shù)值模擬對(duì)比了不同峰值加速度下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。分別選取峰值加速度為0.1g、0.2g和0.3g的地震波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析。結(jié)果表明，隨著峰值加速度的增大，結(jié)構(gòu)的最大位移、最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均顯著增大。當(dāng)峰值加速度為0.1g時(shí)，結(jié)構(gòu)的最大位移為30mm，最大應(yīng)力為200MPa；當(dāng)峰值加速度增大到0.2g時(shí)，結(jié)構(gòu)的最大位移增加到60mm，最大應(yīng)力增大到350MPa；當(dāng)峰值加速度進(jìn)一步增大到0.3g時(shí)，結(jié)構(gòu)的最大位移達(dá)到90mm，最大應(yīng)力增大到500MPa，接近鋼材的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)面臨較大的破壞風(fēng)險(xiǎn)。地震波的頻譜特性和峰值加速度對(duì)半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有著重要影響。在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮地震波的這些特性，合理選擇地震波輸入，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的時(shí)程分析，以準(zhǔn)確評(píng)估結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的抗震性能，確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。六、半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)化策略6.1節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)作為半剛性連接方鋼管柱-型鋼梁框架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，其性能對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能起著決定性作用。為了提高節(jié)點(diǎn)的抗震性能，可從改進(jìn)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和采用新型連接方式等方面入手。在改進(jìn)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方面，對(duì)于端板連接節(jié)點(diǎn)，可通過增加端板厚度、合理布置螺栓來提高節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度和承載能力。增加端板厚度能夠有效增強(qiáng)端板抵抗彎曲變形的能力，使節(jié)點(diǎn)在承受彎矩時(shí)更加穩(wěn)定。合理布置螺栓可以使節(jié)點(diǎn)的傳力更加均勻，避免出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。增加螺栓數(shù)量可以提高節(jié)點(diǎn)的承載能力，但同時(shí)也需要考慮螺栓之間的間距，以確保施工的可行性和節(jié)點(diǎn)的連接性能。通過有限元模擬分析，當(dāng)端板厚度從16mm增加到20mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度提高了約20%，極限承載力提高了15%左