节点域加劲肋布置对箱形柱抗震性能影响

0 引言

在当代钢结构建筑中，箱形柱因其优良的承载性能和构造便利性在钢结构中被广泛应用，地震作用下其节点域的受力性能直接关系到整体结构的安全性，节点域作为承受复杂应力的重要区域通常成为薄弱环节。加劲肋作为常用的增强构件，其布置方式对节点域的抗震性能具有明显影响，目前对加劲肋的研究多集中于构件层面，针对节点域不同布置方式对其抗震性能的系统研究仍显不足，明确加劲肋布置形式对节点域力学行为的影响，对于提升结构抗震能力和优化设计具有重要意义。

1 加劲肋布置方式分类

加劲肋在节点域中承担着传力路径 其布置方式直接影响节点区的受力均匀性与滞回性能。目前常见的 和节点角区封闭加劲三类形式。面内单向加劲适用于受力方向 性，但易导致非受力方向的刚度薄弱。双向交叉加劲能够有效提 载作用下表现出更强的滞回能力与耗能特性 。节点角区封闭加劲则 提高节点抗剪与抗弯能力，同时改善局部屈服模式，减缓破坏扩展速度。

2 加劲肋布置对抗震性能的影响分

2.1 耐力与延性对比分析

加劲肋布置形式对箱形柱节点域的耐力与延性性能具有决定性作用，尤其在强震作用下，对节点区域的承载能力和塑性变形能力提出更高要求。为探究不同布置方式的性能差异，选取三种典型加劲肋布置方式进行对比试验，包括单向加劲、双向交叉加劲和节点角区封闭加劲，分析其在低周反复荷载作用下的性能表现。试件尺寸为600 毫米×600 毫米的箱形柱节点，柱壁厚度为12 毫米，梁高为400 毫米，加载采用位移控制，屈服位移取为10 毫米。试验结果如表1 所示。

表1 不同加劲肋布置形式节点域抗震性能试验结果

从试验数据可以看出，双向交叉加劲与节点角区封闭加劲在屈服荷载与极限荷载方面均明显优于单向加劲，分别提高约50 至95 千牛的极限承载力，表现出更强的耐震承载能力。节点角区封闭加劲形式的极限位移最大，为 45 毫米，延性系数达到 4.5，反映其在塑性变形发展方面更具优势，能有效延缓结构破坏的过程。双向交叉加劲结构次之，延性系数为4.2。单向加劲布置下，节点域在单向受力方向存在承载集中现象，延性较差，极限位移仅为35 毫米，说明其在多方向荷载作用下可能早期出现局部破坏。

2.2 能量耗散能力评价

结构在地震反复荷载作用下的耗能能力是衡量抗震性能的重要指标，加劲肋布置方式直接影响节点域在滞回加载过程中的能量耗散路径与分布特征。在双向交叉加劲与角区封闭加劲构造中，加劲肋通过形成均匀的传力路径，使节点域内应力分布更为合理，能有效抑制局部早期屈服，提高滞回曲线的饱满度。节点在滞回加载过程中呈现出较宽的环形能量释放区域，表现出良好的稳定耗能能力。角区封闭加劲因其加劲肋覆盖范围更大，使节点四角板段与腹板之间形成完整框架效应，滞回曲线更接近于理想塑性形状，滞回面积累计显著高于其他两种形式，代表其在地震作用下具有更大的耗能潜力[2]。单向加劲结构滞回曲线呈现“梭形”或“剪切尖角型”，能量释放效率低，且滞回回线收敛快，说明其在反复加载下更易发生刚度退化和强度下降。

2.3 破坏模式演化特征

不同加劲肋布置方式直接决定节点域在地震荷载作用下的破坏起点与破坏扩展路径。在单向加劲节点中，因加劲肋沿一个方向提供支撑，受力非对称使得节点域在另一方向出现早期局部屈服，破坏常表现为腹板或翼缘板的拉裂和压屈，并沿纵向发展至柱身。此类破坏形式进展迅速，缺乏缓冲过程，不利于结构整体延性控制。采用双向交叉加劲的节点，在加载过程中由于力流分散，节点内部应力分布更均匀，初始破坏点通常出现在加劲肋交叉处的板件交界区域，破坏过程缓慢演化，具备良好的变形协调性。角区封闭加劲结构的破坏形态表现为板件屈服先于整体失稳，受力边界处出现屈服带，但整体结构依然保持稳定框架形态，在较大变形下仍能维持承载能力，具备理想的渐进式破坏特征。这类破坏演化路径为结构提供了更多预警空间和抗震调整能力。

3 数值模拟与试验验证

3.1 有限元建模方案

为深入研究节点域不同加劲肋布置形式下的受力性能，建立基于 ABAQUS 平台的三维有限元分析模型，模拟低周反复加载条件下节点区域的滞回响应与破坏模式。模型选取典型箱形柱节点结构，节点尺寸为 600 毫米×600 毫米，柱壁与腹板厚度均为12 毫米，梁高400 毫米，梁柱连接形式采用焊接刚接[3]。加劲肋材料与节点主体材料相同，均为Q355B 钢，材料本构关系采用双折线理想弹塑性模型，考虑随动强化特性以更真实反映钢材在循环荷载下的应力演化。边界条件设置为柱底固结，梁端加载端施加水平位移控制荷载，加载协议依据规范推荐的标准低周加载路径进行，网格划分采用C3D8R 单元，节点域与加劲肋区域加密建模，保证应力集中区计算精度。

3.2 试验现象与模拟对比

为验证数值模型的合理性与精度，将模拟结果与三组节点试件的试验结果进行对比，比较不同加劲肋布置条件下的屈服荷载、极限荷载与最大位移，试验条件与模拟参数保持一致，加载速率与路径统一控制，结果如图1 所示。

图1 模拟结果与试验结果对比

模拟结果与试验数据在各指标上吻合较好，最大误差不超过16 千牛或2 毫米。单向加劲布置下的屈服与极限荷载略低于其他布置，模拟中同样呈现出剪切集中与偏向性变形。双向交叉加劲和角区封闭加劲节点在滞回性能与变形能力方面表现更优，模拟中滞回曲线面积更大，骨架曲线上升段陡峭，体现出良好的承载与延展能力。

4 结语

本文围绕节点域加劲肋布置对箱形柱抗震性能的影响展开研究，明确不同布置形式在耐力及破坏模式方面的差异，双向交叉与角区封闭加劲形式在承载力与变形能力上表现更优，具有良好的抗震性能。数值模拟结果与试验数据吻合良好，验证分析方法的可靠性，研究成果可为实际工程中节点设计提供理论依据与参考方向，具有较强的工程实用价值。

参考文献

[1]杨念旭.新型模块化钢结构内插自锁式节点传力机理及力学模型研究[D].中国矿业大学,2024.

[2]段阳春.随机点蚀损伤下钢框架梁柱节点力学性能研究[D].安徽理工大学,2024.

[3]刘鹏云.考虑组合加强的型钢混凝土节点抗震性能研究[D].兰州理工大学,2024.