摘要：波紋腹板H型鋼能以較薄的鋼板獲得較高的抗剪屈曲能力，從而可以大量節(jié)約鋼材。但傳統(tǒng)的H型鋼梁柱剛接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式不適用于波紋腹板H型鋼梁，為此提出了2種構(gòu)造形式的波紋腹板H型鋼梁柱剛接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式。通過靜力試驗(yàn)考察這2種節(jié)點(diǎn)的承載力以及各截面的內(nèi)力分布，并對比了試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果及實(shí)用設(shè)計(jì)公式的計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了有限元分析的合理性以及實(shí)用設(shè)計(jì)公式的可靠性。使用有限元分析軟件ABAQUS對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了參數(shù)分析，研究了端板厚度、連接板厚度與波紋斷點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)承載力的影響。

關(guān)鍵詞：波紋腹板H型鋼；梁柱剛接節(jié)點(diǎn)；靜力性能；試驗(yàn)研究；有限元方法

中圖分類號：TU392.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-4764（2013）04-0047-08

波紋腹板H型鋼將平腹板改為波紋腹板，從而能以較薄的腹板厚度，獲得較大的平面外剛度及較高的抗剪切屈曲承載能力^[1-2]，且局部承壓承載力^[3]和抗疲勞強(qiáng)度^[4-6]也有所提高，因此，該類型鋼具有較高的承載能力及經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。近年來，波紋腹板H型鋼得到了廣泛應(yīng)用，尤其是作為多高層鋼結(jié)構(gòu)的主梁，具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢^[1]。研究結(jié)果已經(jīng)對波紋腹板鋼構(gòu)件的力學(xué)性能有了較深入的了解^[7-8]，相關(guān)規(guī)程也已發(fā)布并投入使用^[9]，但還未發(fā)現(xiàn)專門研究此類鋼梁連接節(jié)點(diǎn)性能的報道。連接在鋼結(jié)構(gòu)中占有很重要的地位^[10]，其特性直接影響鋼結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性與經(jīng)濟(jì)性^[11]。梁柱剛接節(jié)點(diǎn)作為多高層鋼結(jié)構(gòu)中的主要連接形式，其靜力性能與滯回性能至關(guān)重要^[12-13]。波紋腹板H型鋼用作多高層鋼結(jié)構(gòu)中的主梁，其與H型鋼柱的連接節(jié)點(diǎn)性能對其在多高層鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用影響顯著。由于腹板波折，傳統(tǒng)的梁柱剛接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式不能直接應(yīng)用于波紋腹板H型鋼梁與柱的連接，因此有必要針對波紋腹板鋼梁，提出這種新型梁構(gòu)件的梁柱剛接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式，并進(jìn)行力學(xué)性能研究。試驗(yàn)與有限元研究是節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究的主要手段^[14-15]，有限元軟件ABAQUS在對鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的模擬中較為常用。筆者提出了2種波紋腹板鋼梁與H型鋼柱剛接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究與有限元分析，在波紋腹板H型鋼梁設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，與傳統(tǒng)梁柱剛接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法對比，驗(yàn)證傳統(tǒng)梁柱剛接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法是否適用于波紋腹板H型鋼梁柱剛接節(jié)點(diǎn)。

1節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的多高層鋼結(jié)構(gòu)H型鋼梁柱剛接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造方式為梁翼緣與柱采用全熔透焊縫連接，梁腹板與柱采用摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接 [4]。由于波紋腹板鋼梁的腹板為波折形狀，故不適用于這種構(gòu)造做法。為解決此問題，在傳統(tǒng)梁柱剛接節(jié)點(diǎn)做法的基礎(chǔ)上，在波紋腹板H型鋼梁端焊接端板，并借助高強(qiáng)螺栓、連接板及平腹板H型鋼梁段實(shí)現(xiàn)梁柱的剛接。根據(jù)具體連接方式不同，分為2種構(gòu)造形式，如圖1所示。2種節(jié)點(diǎn)的梁翼緣與梁端板均通過全熔透對接焊縫焊接，波紋腹板與梁端板通過雙面角焊縫焊接，節(jié)點(diǎn)1連接板與梁端板通過雙面角焊縫連接，平腹板梁段翼緣與梁端板通過全熔透對接焊縫焊接，腹板與連接板通過高強(qiáng)螺栓連接，平腹板梁段翼緣與鋼柱通過全熔透對接焊縫連接，腹板與柱翼緣通過雙面角焊縫連接；節(jié)點(diǎn)2平腹板梁段翼緣與梁端板通過全熔透對接焊縫連接，腹板與梁端板通過雙面角焊縫連接，連接板與柱翼緣通過雙面角焊縫連接，平腹板梁段翼緣與柱翼緣通過全熔透對接焊縫焊接，腹板與連接板通過高強(qiáng)螺栓連接。

2試驗(yàn)研究

2.1構(gòu)件設(shè)計(jì)

用于試驗(yàn)的波紋腹板H型鋼型號為CWA500-200×10，即梁翼緣寬200 mm、厚10 mm，梁腹板高500 mm、厚2 mm，腹板采用的波形如圖2所示。平腹板H型鋼梁段的截面尺寸為520 mm×250 mm×10 mm×12 mm， H型鋼柱的截面尺寸為500 mm×250 mm×10 mm×22 mm。

各節(jié)點(diǎn)的連接構(gòu)造參數(shù)如表1所示。除高強(qiáng)螺栓外，所有鋼材均采用Q235鋼。

2.4加載試驗(yàn)結(jié)果

2個節(jié)點(diǎn)的破壞模式均為波紋腹板H型鋼梁腹板整體剪切屈曲，如圖5所示。節(jié)點(diǎn)1荷載達(dá)到140 kN左右時，荷載位移曲線進(jìn)入非線性階段，波紋腹板屈服，荷載達(dá)到165 kN時，波紋腹板發(fā)生整體剪切屈曲，承載力下降至峰值的60%左右。節(jié)點(diǎn)2荷載達(dá)到150 kN左右時，荷載位移曲線進(jìn)入非線性階段，波紋腹板屈服，荷載達(dá)到200 kN時，波紋腹板發(fā)生整體剪切屈曲，承載力下降至峰值的70%左右。加載過程中2節(jié)點(diǎn)無肉眼可見的破壞，波紋腹板與端板間的雙面角焊縫無破壞，梁翼緣與端板間的坡口熔透焊縫無破壞，平腹板梁段與梁端板、柱翼緣之間的連接均無破壞。

2.4.1節(jié)點(diǎn)1各截面應(yīng)力分布

1）波紋腹板與端板間角焊縫附近應(yīng)力分布

將波紋腹板與端板間角焊縫附近的17、18、19號點(diǎn)所測得的剪應(yīng)變與距離端板200 mm處的波紋腹板上20、21、22號點(diǎn)所測得的剪應(yīng)變進(jìn)行對比，得到如圖6所示曲線。由圖6可見，各點(diǎn)在線彈性階段的剪應(yīng)變隨剪力變化基本一致，可知焊縫附近截面與梁截面的剪應(yīng)力分布一致，均為沿截面均勻分布^[5]。取線彈性階段的截面平均剪應(yīng)力實(shí)測值與理論值比較，如圖7所示。由圖7可知，焊縫附近截面在彈性階段，腹板的平均剪應(yīng)力試驗(yàn)值與理論值很接近，因此可以認(rèn)為在波紋腹板鋼梁與端板的連接中，波紋腹板與端板連接的雙面角焊縫承受全部剪力，剪力沿截面均勻分布。

2.4.2節(jié)點(diǎn)2各截面應(yīng)力分布

1）波紋腹板與端板間角焊縫附近應(yīng)力分布

將波紋腹板與端板間角焊縫附近的17、18、19號點(diǎn)所測得的剪應(yīng)變與距離端板200 mm處的波紋腹板上20、21、22號點(diǎn)所測得的剪應(yīng)變進(jìn)行對比，得到如圖12所示曲線。

由圖6可見，各點(diǎn)在線彈性階段的剪應(yīng)變隨剪力變化基本一致，可知焊縫附近截面與梁截面的剪應(yīng)力分布一致，均為沿截面均勻分布。取線彈性階段的截面平均剪應(yīng)力實(shí)測值與理論值比較如圖13所示。

由圖13可見，在彈性階段，焊縫附近截面腹板的平均剪應(yīng)力試驗(yàn)值與理論值接近，因此可以認(rèn)為在波紋腹板鋼梁與端板的連接中，波紋腹板與端板連接的雙面角焊縫焊縫承受全部剪力，剪力沿截面均勻分布。

2）平腹板梁段與梁端板連接附近應(yīng)力分布

在平腹板梁段與柱翼緣焊縫附近設(shè)置3個測點(diǎn)，剪應(yīng)變與截面剪力的變化曲線如圖14所示。

從圖14中可以看出，平腹板上各點(diǎn)在荷載作用范圍內(nèi)仍處于彈性階段，平腹板中點(diǎn)的剪應(yīng)變要明顯大于上下各1/4處點(diǎn)的剪應(yīng)變。計(jì)算各點(diǎn)的剪應(yīng)力得如圖15曲線。

24號點(diǎn)與25號點(diǎn)的剪應(yīng)力理論值按照公式τ=VSItw求得，從圖15中可以得到，使用該公式計(jì)算出的剪應(yīng)力理論值與實(shí)測的剪應(yīng)力試驗(yàn)值符合較好。

3）連接板應(yīng)力分布

在與柱翼緣連接的連接板上布置了3個應(yīng)變片檢測梁連接板的應(yīng)力分布狀況，剪應(yīng)變與截面剪力的變化曲線如圖16所示。

從圖16中可以看出，連接板上各點(diǎn)在荷載作用范圍內(nèi)仍處于彈性階段，連接板中點(diǎn)的剪應(yīng)變要明顯大于上下各1/4處點(diǎn)的剪應(yīng)變。計(jì)算各點(diǎn)的剪應(yīng)力得如圖17曲線。

3有限元分析計(jì)算

采用有限元計(jì)算軟件ABAQUS/Standard對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了建模、分析與計(jì)算。

3.1材料特性

鋼材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均采用雙折線模型，根據(jù)材性實(shí)驗(yàn)得到的彈性模量、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度及所對應(yīng)的應(yīng)變建立。根據(jù)高強(qiáng)度螺栓制造商提供的產(chǎn)品質(zhì)量保證書，試驗(yàn)中所用10.9級高強(qiáng)度摩擦型螺栓M16：屈服強(qiáng)度fby=991 MPa，極限抗拉強(qiáng)度取fbu=1 192 MPa，伸長率14.5%，斷面收縮率52%。由于試驗(yàn)中測得的彈性模量值離散性很小，所有材料的彈性模量均取E=2.06×105 MPa，泊松比均取0.3。每個高強(qiáng)螺栓的初始預(yù)拉力根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017）中規(guī)定選取，各接觸面的抗滑移系數(shù)取為0.40。

3.2單元劃分

在建立模型過程中，節(jié)點(diǎn)的所有組成部分均采用實(shí)體單元C3D8（8節(jié)點(diǎn)六面體二次積分單元），劃分單元結(jié)果如圖18所示，螺栓單元劃分如圖19所示。

3.3邊界條件

模型邊界條件與試驗(yàn)一致，柱在壓梁部位施加位移約束，梁施加面外位移約束。

3.4分析過程

對試驗(yàn)進(jìn)行的分析計(jì)算中，均進(jìn)行位移加載。加載過程中各子步的荷載通過讀取加載點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的反力獲得。高強(qiáng)度螺栓均施加預(yù)拉力。梁連接板與柱連接板之間、螺栓頭與梁連接板之間、螺帽與柱連接板之間、螺桿與螺孔之間均創(chuàng)建接觸對。由于接觸問題為大變形問題，在創(chuàng)建分析步時設(shè)置幾何非線性Nlgeom為on。

4結(jié)果對比及參數(shù)分析

4.1試驗(yàn)結(jié)果對比

對于節(jié)點(diǎn)1，試驗(yàn)測得節(jié)點(diǎn)極限承載彎矩為315.7 kN·m，有限元計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)極限承載彎矩為344.9 kN·m。對于節(jié)點(diǎn)2，試驗(yàn)測得節(jié)點(diǎn)極限承載彎矩為340.3 kN·m，有限元計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)極限承載彎矩為362.9 kN·m。加載點(diǎn)處通過實(shí)驗(yàn)實(shí)測的和有限元計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)彎矩轉(zhuǎn)角曲線如圖20所示。有限元分析的節(jié)點(diǎn)破壞模式與試驗(yàn)相同，均為波紋腹板的整體屈曲破壞，節(jié)點(diǎn)的破壞現(xiàn)象如圖21所示。從圖中可以看出，節(jié)點(diǎn)1的有限元計(jì)算結(jié)果在線性階段與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，初始剛度、極限承載彎矩及轉(zhuǎn)角比較接近，但極限承載彎矩大小存在一定誤差，有限元計(jì)算的極限承載彎矩結(jié)果較試驗(yàn)值偏高，其原因主要是試驗(yàn)中由于施工誤差的存在，高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力及接觸面可能與規(guī)定值之間存在誤差，而且柱兩端的轉(zhuǎn)動也難以完全避免，使得試驗(yàn)值偏小。節(jié)點(diǎn)2在線性階段初始階段與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，初始剛度比較接近，但試驗(yàn)曲線較早進(jìn)入非線性階段，除與節(jié)點(diǎn)1試驗(yàn)相同的原因外，還因?yàn)樵囼?yàn)中實(shí)測節(jié)點(diǎn)2的梁腹板厚薄并不完全均勻一致，局部區(qū)域腹板厚度低于2 mm，存在一定的初始缺陷，存在初始缺陷的位置腹板過早屈服，導(dǎo)致試驗(yàn)值剛度較小。

4.2參數(shù)分析

由有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比可知，有限元模型能夠較精確地模擬剛接節(jié)點(diǎn)的受力，為了研究常用的構(gòu)造端板、連接板厚度及螺栓直徑是否適用于波紋腹板H型鋼梁柱剛接節(jié)點(diǎn)及波紋板斷點(diǎn)對波紋腹板H型鋼梁柱剛接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能的影響，因此使用有限元軟件對節(jié)點(diǎn)1進(jìn)行參數(shù)分析，參數(shù)選取見表3。其中端板厚度取值為梁翼緣厚度的0.6～1.2倍，作為常用的構(gòu)造端板厚度。梁連接板厚度取值為6～18 mm，作為常用的構(gòu)造連接板厚度。螺栓取M20和M16作為常用的高強(qiáng)螺栓。B3與B4的端板和梁連接板厚度相同，螺栓直徑相同，僅改變腹板與端板焊接處波紋斷點(diǎn)的位置，由于實(shí)際應(yīng)用中波紋板斷點(diǎn)隨機(jī)，此處取極端情況波段中間點(diǎn)作為對比。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比見圖22。從圖22中可以得知，當(dāng)端板和連接板厚度在常用構(gòu)造厚度內(nèi)變化，螺栓取常用直徑時，模型的峰值荷載、初始剛度及達(dá)到峰值荷載時的位移沒有明顯變化，因此常用的端板、連接板和螺栓構(gòu)造方式適用于波紋腹板H型鋼梁柱剛接節(jié)點(diǎn)。腹板與端板焊接處波紋的位置也不影響波紋腹板H型鋼梁柱剛接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。

5結(jié)論

進(jìn)行了2個波紋腹板H型鋼梁柱剛接節(jié)點(diǎn)的靜力試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)用設(shè)計(jì)公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了現(xiàn)有的實(shí)用設(shè)計(jì)公式在設(shè)計(jì)波紋腹板H型鋼梁柱剛接節(jié)點(diǎn)時的可靠性。使用有限元分析軟件ABAQUS對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，并將有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了有限元分析結(jié)果的可靠性，在此基礎(chǔ)上對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了參數(shù)分析，研究了端板厚度、連接板厚度與波紋斷點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)承載力的影響，得到在一定范圍內(nèi)改變端板厚度、梁連接板厚度及改變腹板截?cái)辔恢?，均對?jié)點(diǎn)的極限承載力、初始剛度、達(dá)到極限承載力時的位移沒有明顯影響?，F(xiàn)有的實(shí)用設(shè)計(jì)公式可用于設(shè)計(jì)波紋腹板H型鋼梁柱剛接節(jié)點(diǎn)。

（致謝：本文中試驗(yàn)試件由上海歐本鋼結(jié)構(gòu)有限公司提供，在此表示衷心地感謝。）

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（編輯胡英奎）