李德山，王志濱（福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州350116）

加強型單邊螺栓連接節(jié)點靜力性能有限元分析

李德山，王志濱
（福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州350116）

以鋼管混凝土柱－鋼梁單邊螺栓連接節(jié)點往復(fù)加載試驗研究為基礎(chǔ)，采用ABAQUS軟件建立非線性有限元模型，探討節(jié)點核心區(qū)構(gòu)造措施對節(jié)點彎矩－轉(zhuǎn)角曲線的影響規(guī)律.研究結(jié)果表明：節(jié)點核心區(qū)外焊槽鋼或內(nèi)置短H鋼能顯著提高節(jié)點抗彎承載力；加強型單邊螺栓連接節(jié)點為半剛性連接、部分強度節(jié)點；增大外槽鋼厚度、外槽鋼強度、內(nèi)H鋼厚度、內(nèi)H鋼強度均能有效提高節(jié)點抗彎承載力.

鋼管混凝土；鋼梁；單邊螺栓；加強構(gòu)造；有限元分析

近年來，螺栓連接節(jié)點受到研究工作者的廣泛關(guān)注，相對于焊接連接，螺栓連接具有施工方便和連接質(zhì)量可靠等優(yōu)點，具有良好的工程應(yīng)用前景［1－2］.單邊螺栓作為一種新型緊固件，可以從鋼管外側(cè)進行單邊擰緊，施工操作方便，解決了普通螺栓難以在閉合截面中應(yīng)用的缺點，是連接鋼管混凝土柱與鋼梁的一種有效方法.目前，已有一些學(xué)者針對該類新型節(jié)點開展了研究工作，現(xiàn)有研究結(jié)果表明，鋼管混凝土柱－鋼梁單邊螺栓連接節(jié)點抗震性能良好，節(jié)點一般為半剛性連接［3－6］.對于單邊螺栓連接節(jié)點，鋼管壁通常為節(jié)點的薄弱區(qū)域，管壁在螺栓拉力作用下容易發(fā)生較大的面外變形，節(jié)點抗彎承載力及初始轉(zhuǎn)動剛度較低.針對上述問題，Wang等［7］提出相應(yīng)加強構(gòu)造措施，節(jié)點核心區(qū)焊接槽鋼或者內(nèi)置短H鋼能顯著提高節(jié)點抗彎承載力及耗能能力.本文在相關(guān)試驗研究的基礎(chǔ)上，采用ABAQUS 軟件建立有限元模型，探討核心區(qū)構(gòu)造措施對節(jié)點力學(xué)性能影響規(guī)律.

1 有限元模型的建立

1.1 材料本構(gòu)模型

高強螺栓應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系采用雙折線模型，軟鋼應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系采用二次塑流五段線模型［8］，混凝土受壓應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系采用方鋼管混凝土本構(gòu)模型，具體數(shù)學(xué)表達式詳見文獻［8］，混凝土受拉軟化性能采用能量破壞準則定義.

1.2 網(wǎng)格劃分及接觸關(guān)系

鋼梁采用縮減積分殼單元S4R模擬，節(jié)點的其他部件采用六面體非協(xié)調(diào)實體單元C3D8I模擬.有限元模型主要接觸對包括：鋼管與混凝土、鋼管與端板、螺栓與鋼管、螺栓與端板、螺栓與混凝土、螺栓與外槽鋼或內(nèi)H鋼、內(nèi)H鋼與鋼管、內(nèi)H鋼與混凝土.ABAQUS中各接觸對界面法線方向采用硬接觸模擬，界面切向力學(xué)行為采用庫倫摩擦模型，摩擦系數(shù)均取0.3.鋼梁與端板的焊接關(guān)系、外槽鋼與鋼管的焊接關(guān)系均采用綁定約束TIE模擬.

1.3 荷載及邊界條件

首先，采用ABAQUS中Bolt Load對單邊螺栓施加預(yù)緊力；然后，在柱端施加軸壓荷載；最后，在梁端施加橫向荷載，采用位移加載模式進行計算，鋼管混凝土柱兩端邊界條件為鉸接.

圖1 節(jié)點荷載－位移曲線對比Fig.1 Comparison of load－displacement curves

1.4 有限元模型驗證

基于文獻［7］中2個鋼管混凝土柱－鋼梁單邊螺栓連接節(jié)點的荷載（P）－位移（Δ）滯回曲線的骨架線，對有限元模型進行必要的驗證.有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比，如圖1所示.單調(diào)加載模擬獲得的曲線與節(jié)點“P－Δ”滯回曲線骨架線吻合良好，驗證了有限元模型的合理性和計算精度.

2 參數(shù)分析

基于工程常用參數(shù)范圍，設(shè)計典型中間層中柱節(jié)點，探討單調(diào)靜力加載條件下關(guān)鍵參數(shù)對節(jié)點力學(xué)性能的影響規(guī)律.為進行力學(xué)性能對比，設(shè)計無構(gòu)造措施節(jié)點、核心區(qū)外焊槽鋼節(jié)點及核心區(qū)內(nèi)置短H鋼節(jié)點.

方鋼管混凝土柱截面尺寸為400mm×400mm×10mm，柱高為3 800mm；鋼梁截面尺寸為400 mm×200mm×8mm×10mm，鋼梁跨度為6 000mm；平齊式端板截面尺寸為430mm×250mm×18 mm.對于加強型節(jié)點，單邊螺栓采用8.8級HB 20－2型Hollo Bolt；對于無構(gòu)造措施節(jié)點，單邊螺栓采用8.8級HB 20－1型Hollo Bolt.兩種型號的螺栓區(qū)別在于螺桿長度不同，相應(yīng)能夾緊的鋼板厚度也不同，螺栓具體尺寸參見文獻［9］.外槽鋼長度為430mm，厚度為10mm；內(nèi)H鋼截面尺寸為380mm× 250mm×10mm×10mm，長度為430mm；節(jié)點鋼材強度均取為Q345；核心混凝土強度等級為C60；柱軸壓比n＝N／Nu＝0.4，其中，N為柱端軸壓力；Nu為無構(gòu)造措施鋼管混凝土柱穩(wěn)定極限承載力.

整體節(jié)點有限元模型示意圖，如圖2所示.實際計算分析時，采用1／4模型進行計算，在模型兩個對稱面上施加對稱邊界條件.首先，對單邊螺栓施加預(yù)緊力；其次，在鋼管混凝土柱端施加軸壓力；最后，在梁端施加同向單調(diào)荷載，鋼管混凝土柱兩端邊界條件為鉸接.

節(jié)點彎矩（M）－轉(zhuǎn)角（θ）曲線對比，如圖3所示.由圖3可知：單邊螺栓連接節(jié)點具有良好的轉(zhuǎn)動能力，延性較好；節(jié)點無構(gòu)造措施時，抗彎承載力較低，節(jié)點核心區(qū)外焊槽鋼或內(nèi)置短H鋼顯著提高節(jié)點抗彎承載力；根據(jù)EC3規(guī)范進行節(jié)點分類［10］，3種單邊螺栓連接節(jié)點均為半剛性連接、部分強度節(jié)點.

外焊槽鋼節(jié)點及內(nèi)置短H鋼節(jié)點破壞模態(tài)，如圖4所示.由圖4可知：在梁端橫向荷載作用下，平齊式端板與外槽鋼或管壁脫開，出現(xiàn)明顯間隙；外焊槽鋼或內(nèi)置短H鋼兩種構(gòu)造措施均有效提高節(jié)點

圖2 節(jié)點有限元模型Fig.2 Finite element model of connection

圖3 節(jié)點彎矩－轉(zhuǎn)角曲線對比Fig.3 Comparison of moment－rotation curves

核心區(qū)整體性，管壁穩(wěn)定性得到較大提高，管壁面外變形較小.

圖4 節(jié)點破壞模態(tài)Fig.4 Failure mode of connections

各參數(shù)對節(jié)點彎矩（M）－轉(zhuǎn)角（θ）曲線影響，如圖5～7所示.軸壓比對加強型節(jié)點彎矩（M）－轉(zhuǎn)角（θ）曲線影響，如圖8所示.

圖5 外焊槽鋼節(jié)點參數(shù)分析Fig.5 Parameter analysis of outer channel connection

圖6 內(nèi)置短H鋼節(jié)點參數(shù)分析Fig.6 Parameter analysis of inner H steel connection

由圖5～7可知：節(jié)點抗彎承載力隨外槽鋼或內(nèi)H鋼厚度的增大而提高.這主要因為節(jié)點核心區(qū)設(shè)置構(gòu)造措施之后，鋼管局部穩(wěn)定性得到較大提高，同時，鋼管對核心區(qū)混凝土的約束效果也明顯增大；增大外槽鋼或內(nèi)H鋼強度，節(jié)點抗彎承載力也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；外槽鋼長度、內(nèi)H鋼長度、內(nèi)H鋼寬度對節(jié)點彎矩（M）－轉(zhuǎn)角（θ）曲線影響不明顯.

圖7 內(nèi)置短H鋼寬度參數(shù)分析Fig.7 Parameter analysis of inner H steel width

圖8 軸壓比參數(shù)分析Fig.8 Parameter analysis of axial compression ratio

由圖8可知：軸壓比對節(jié)點力學(xué)性能影響很小，說明節(jié)點核心區(qū)設(shè)置構(gòu)造措施之后，管壁穩(wěn)定性增強，即使在高軸壓比條件下，節(jié)點仍表現(xiàn)出良好、穩(wěn)定的力學(xué)性能.

3 結(jié)論

1）單邊螺栓連接節(jié)點具有良好的延性；加強型節(jié)點屬于半剛性連接、部分強度節(jié)點.

2）節(jié)點外焊槽鋼或內(nèi)置短H鋼能大幅度增強核心區(qū)整體性，有利于各組件協(xié)同工作，提高節(jié)點力學(xué)性能.

3）外槽鋼長度、內(nèi)H鋼長度、內(nèi)H鋼寬度對節(jié)點力學(xué)性能影響不明顯；節(jié)點抗彎承載力隨著外槽鋼厚度、外槽鋼強度、內(nèi)H鋼厚度、內(nèi)H鋼強度的提高而逐漸增大.

4）軸壓比對節(jié)點彎矩－轉(zhuǎn)角曲線影響很小，即使在高軸壓比條件下，節(jié)點仍表現(xiàn)出良好、穩(wěn)定的力學(xué)性能.

［1］ 李國強，石文龍，王靜峰.半剛性連接鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009：1－14.

［2］ 王燕.鋼結(jié)構(gòu)半剛性連接設(shè)計理論及其工程應(yīng)用［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011：11－12.

［3］ LOH H Y，UY B，BRADFORD M A.The effects of partial shear connection in composite flush end plate joints partⅠ：Experimental study［J］.Journal of Constructional Steel Research，2006，62（4）：378－390.

［4］ THAI H T，UY B.Finite element modelling of blind bolted composite joints［J］.Journal of Constructional Steel Research，2015，112（9）：339－353.

［5］ WANG Jingfeng，HAN Linhai，UY B.Behaviour of flush end plate joints to concrete filled steel tubular columns［J］.Journal of Constructional Steel Research，2009，65（4）：925－939.

［6］ WANG Jingfeng，HAN Linhai，UY B.Hysteretic behaviour of flush end plate joints to concrete filled steel tubular columns［J］.Journal of Constructional Steel Research，2009，65（8）：1644－1663.

［7］ WANG Zhibin，TAO Zhong，LI Deshan，et al.Cyclic behaviour of novel blind bolted joints with different stiffening elements［J］.Thin－Walled Structures，2016，101（4）：157－168.

［8］ 韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)：理論與實踐［M］.北京：科學(xué)出版社，2007：66－111.

［9］ Lindapter International Ltd.Type HB－Hollo－Bolt cavity fixing 2［R］.West Yorkshire：［s.n.］，2011：41－44.

［10］ European committee for standardisation.Eurocode 3：Design of steel structures－part 1－8：Design of joints［S］.Brussels：［s.n.］，2005：54－59.

（責任編輯：陳志賢 英文審校：方德平）

Finite Element Analysis on Static Behavior of Blind Bolted Joints With Reinforcing Components

LI Deshan，WANG Zhibin
（College of Civil Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China）

Based on the cyclic loading experiment of concrete filled steel tubular column（CFST）－steel beam blind bolted joints，nonlinear finite element models were built by ABAQUS software，the influence of reinforcing components on bending moment－rotation curves were discussed.The research results show that，the flexural bearing capacity of the joints can significantly enhanced with welding channel or installing inner H steel.The reinforced joints can be classified as semi－rigid and partial strength connection.The flexural bearing capacity of the joints can be improved with the increase of the thickness or the strength of channel steel，the similar effect can be achieved by increasing the thickness of inner H steel or increasing the strength of inner H steel.Keywords： concrete filled steel tubular column；steel beam；blind bolt；reinforcing components；finite element analysis

TU 398

A

1000－5013（2016）04－0427－04

10.11830／ISSN.1000－5013.201604007

2015－12－21

王志濱（1979－），男，副教授，博士，主要從事組合結(jié)構(gòu)的研究.E－mail：wangzhibin＠fzu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目（51308124）