李孝龍 高敏

(1.陽(yáng)光學(xué)院土木工程學(xué)院 福建福州 350015；2.福建九鼎工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司 福建福州 350007)

0 引言

隨著裝配式建筑發(fā)展日益興盛[1]， CSFT柱-鋼梁?jiǎn)芜吢菟ǘ税暹B接節(jié)點(diǎn)因其能做到避免現(xiàn)場(chǎng)焊接、安裝迅速、施工便捷，在國(guó)外已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[2]。在力學(xué)性能方面，單邊螺栓連接的力學(xué)性能與傳統(tǒng)高強(qiáng)螺栓性能相近，在閉合截面中施工時(shí)卻具有普通螺栓所不可比擬的優(yōu)勢(shì)[3]。

采用有限元分析軟件ABAQUS建立單邊螺栓端板連接的三維實(shí)體有限元模型，并與已知試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以驗(yàn)證有限元的正確性。因此，本研究在此基礎(chǔ)上，選取典型試件進(jìn)行分析，研究其各個(gè)階段的受力特點(diǎn)。另外，通過(guò)總結(jié)歷次破壞現(xiàn)象，研究此類節(jié)點(diǎn)各個(gè)組件的受力特性，從而尋找節(jié)點(diǎn)破壞順序，以期為半剛性單邊螺栓端板連接在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 有限元分析

圖1為Hollo-Bolt安裝過(guò)程圖，研究據(jù)此建立有限元模型。

圖1 Hollo-Bolt安裝過(guò)程圖

1.1 模型有效性驗(yàn)證

在建立有限元建模過(guò)程中，鋼材本構(gòu)關(guān)系采用雙折線彈塑性-強(qiáng)化模型，混凝土塑性性能模擬采用塑性損傷模型[4]，如圖2所示。

(a)鋼材應(yīng)力-應(yīng)變 (b)混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變 (c)混凝土受拉軟化模型圖2 材料本構(gòu)模型

為驗(yàn)證所建模型的有效性，分別選取Korol[5]。等所做的方鋼管柱與鋼梁?jiǎn)芜吢菟ㄍ馍於税暹B接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)中的試件S3、S4文獻(xiàn)[6]。所進(jìn)行的CFST柱-鋼梁?jiǎn)芜吢菟ㄍ馍於税暹B接節(jié)點(diǎn)靜力試驗(yàn)中的兩個(gè)試件MES1和MES2進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖3所示。

(a)S3彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系對(duì)比(b)S4彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系對(duì)比

(c)MESI彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系對(duì)比(d)MES2彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系對(duì)比圖3 試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果對(duì)比圖

對(duì)比結(jié)果表明，各試件的有限元模型與試驗(yàn)吻合較好，分析模型可為進(jìn)一步理論分析奠定基礎(chǔ)。

1.2 典型試件受力分析

(a)邊柱節(jié)點(diǎn)圖(b)簡(jiǎn)化模型圖4 節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型

為了分析此類節(jié)點(diǎn)的工作機(jī)理，以試件MES2為例進(jìn)行建模，該試件取自框架結(jié)構(gòu)中的邊柱節(jié)點(diǎn)如圖4(a)所示，節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化模型如圖4(b)所示，邊界條件為：柱兩端采用鉸接，柱頂施加軸力。加載模式為：梁端加載，采用位移控制。

為準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的受力情況，需要準(zhǔn)確的材料特性，依據(jù)材性試驗(yàn)的結(jié)果，在建模時(shí)選用的材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

對(duì)梁端施加較大位移，讓構(gòu)件充分受力， 使節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角達(dá)到110mrad，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的承載力達(dá)到極限狀態(tài)，各部件的應(yīng)力及變形圖如圖5所示。

(a)鋼管面外變形(b)鋼管Mise應(yīng)力

(c)端板Mise應(yīng)力(d)螺栓Mise應(yīng)力

(e)節(jié)點(diǎn)整體變化模態(tài)(f)鋼梁Mise應(yīng)力圖5 各組件的應(yīng)力及變化模態(tài)

通過(guò)對(duì)試件MES2的有限元分析，可以將其受力過(guò)程中的工作機(jī)理做以下概括：由于對(duì)螺栓施加了預(yù)緊力，端板與柱翼緣將受到螺栓的擠壓，緊密貼合在一起，端板在螺栓孔處的應(yīng)力多為壓應(yīng)力。當(dāng)螺栓達(dá)到單邊螺栓產(chǎn)品說(shuō)明書中規(guī)定的預(yù)拉力值后，固定螺栓長(zhǎng)度，并逐級(jí)對(duì)柱頂施加軸力，此時(shí)鋼管與混凝土在軸向上的主要應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力，且隨著軸向荷載的增大壓應(yīng)力逐漸增大。待軸力施加到預(yù)定值后，開始在梁端進(jìn)行加載，隨著梁端荷載的施加，上部?jī)膳怕菟ㄒ蚴艿降睦^大逐漸出現(xiàn)變形，梁上翼緣處于受拉、下翼緣處于受壓狀態(tài)。隨著荷載的增大，首先端板與梁受拉翼緣焊接處與管壁分離，隨后梁受壓翼緣開始出現(xiàn)明顯的屈曲變形，受拉螺栓應(yīng)力逐漸增大，端板進(jìn)入屈服狀態(tài)，最后由于梁受壓翼緣的應(yīng)力過(guò)大，節(jié)點(diǎn)逐漸失效。該節(jié)點(diǎn)具有明顯的半剛性連接節(jié)點(diǎn)的特征，承載力高，延性較好，發(fā)生破壞時(shí)，梁的失效先于其他組件達(dá)到極限承載力之前，滿足規(guī)范中“強(qiáng)柱弱梁”的規(guī)定，可以達(dá)到全強(qiáng)連接。

2 工作機(jī)理和破壞模式分析

根據(jù)上述有限元分析結(jié)果，參照國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者大量的研究成果，將節(jié)點(diǎn)中的各受力區(qū)域劃分成受拉區(qū)、受壓區(qū)、受剪區(qū)等幾個(gè)區(qū)域[7]，各受力區(qū)域的受力由相應(yīng)區(qū)域的組件來(lái)承擔(dān)受力，具體分類如圖6所示。

圖6 端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)基本組件

受拉區(qū)組件主要包括：受拉螺栓、受彎端板、受彎柱翼緣、受拉梁腹板、受拉柱腹板、腹板與端板焊縫等；受壓區(qū)組件主要包括：受壓梁翼緣、受壓梁翼緣焊縫、受壓柱腹板等；受剪區(qū)組件主要包括腹板與端板焊縫、受剪螺栓、受剪區(qū)管壁與柱腹板。如表2所示，在梁端彎矩作用下，不同組件所分擔(dān)的力也有所不同。

在節(jié)點(diǎn)受力過(guò)程中，由于各組件的相對(duì)強(qiáng)弱不同，節(jié)點(diǎn)破壞模式也各異，其中相對(duì)較弱的組件將最先破壞。因此，節(jié)點(diǎn)在單調(diào)荷載作用下的可能破壞模式，主要包括：①端板屈曲變形；②梁受拉上翼緣與端板處焊縫撕裂破壞；③梁腹板屈曲變形；④柱壁鼓曲變形；⑤螺栓拉斷。

表2 組件分類

當(dāng)鋼管壁較薄，螺栓直徑較大時(shí)，混凝土沒(méi)有得到鋼管足夠的約束，螺栓在梁端拉力作用下將很快被拔出，鋼管混凝土柱將被扯碎，節(jié)點(diǎn)發(fā)生失效。

當(dāng)柱壁較薄，端板厚度較厚時(shí)，鋼管則成為薄弱組件，同時(shí)由于鋼管本身剛度較弱，而受拉螺栓處的拉力最大，鋼管壁將率先在該處屈服進(jìn)入塑性區(qū)，進(jìn)而形成塑性鉸，發(fā)生向外鼓曲變形且上面兩排受拉螺栓處變形最大。

當(dāng)端板較薄成為最弱組件時(shí)，在荷載作用下將率先進(jìn)入塑性狀態(tài)，隨著后期荷載增大，端板與梁翼緣焊接處將發(fā)生破壞。

當(dāng)端板和管壁較厚、螺栓直徑較大，此時(shí)節(jié)點(diǎn)能滿足“強(qiáng)柱弱梁”的基本要求，破壞模態(tài)主要表現(xiàn)為梁下翼緣受壓屈服，端板和管壁雖然有輕微變形，但尚未完全屈服，相比前兩種破壞模態(tài)來(lái)說(shuō)，是一種較好的破壞模式，也是工程中較希望出現(xiàn)的破壞模態(tài)。

3 理想節(jié)點(diǎn)的破壞模式

由于節(jié)點(diǎn)受力過(guò)程中的變形，主要有端板和鋼梁的塑性變形、管壁的鼓曲變形以及螺栓的受拉變形。因此在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，在不考慮制造誤差等外界因素下，采取恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方法能夠做到控制節(jié)點(diǎn)各組件的失效次序及理想的破壞模式，將梁的塑性變形得到充分發(fā)揮，盡可能發(fā)生延性破壞而非脆性破壞，如圖7所示的理想節(jié)點(diǎn)破壞模式。

圖7 理想節(jié)點(diǎn)破壞模式

理想節(jié)點(diǎn)在外荷載的作用下，梁端傳遞來(lái)的彎矩將通過(guò)梁傳遞到端板和螺栓上，受荷初期，螺栓在荷載作用下逐漸克服預(yù)緊力，同時(shí)，端板在彎矩作用下受拉一側(cè)逐漸受彎產(chǎn)生變形。隨著荷載的增大，螺栓所受拉力增大，此時(shí)管壁受到內(nèi)側(cè)螺栓的擠壓產(chǎn)生輕微鼓曲，梁受壓翼緣將逐漸屈曲。當(dāng)荷載進(jìn)一步增大，梁端將產(chǎn)生塑性鉸；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，出現(xiàn)較局部屈曲；最后才出現(xiàn)螺栓拉斷等脆性破壞的情況，簡(jiǎn)言之，梁塑性鉸的產(chǎn)生應(yīng)發(fā)生在其他組件屈服之前。

4 結(jié)論

采用有限元分析對(duì)CSFT柱-鋼梁?jiǎn)芜吢菟ㄟB接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了受力機(jī)理分析，分析了節(jié)點(diǎn)各組件在荷載下的應(yīng)力變化，并結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)結(jié)論，將各組件依其在受力過(guò)程中承擔(dān)的角色不同進(jìn)行分類，提出了節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)建議，主要結(jié)論如下：

(1)采用非線性有限元分析模型得到的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)吻合良好，該模型可用于CSFT柱-鋼梁?jiǎn)芜吢菟ㄍ馍於税暹B接進(jìn)行受力性能分析。

(2)通過(guò)選取典型試件進(jìn)行分析，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的破壞主要包括：①端板屈曲變形；②梁受拉上翼緣與端板處焊縫撕裂破壞；③梁腹板屈曲變形；④柱壁鼓曲變形；⑤螺栓拉斷。

(3)根據(jù)分析結(jié)果，可將節(jié)點(diǎn)受力區(qū)域劃分為：受拉區(qū)、受壓區(qū)、受剪區(qū)。明確組件受力前提下，為避免節(jié)點(diǎn)脆性破壞提出了理想節(jié)點(diǎn)的破壞模式流程圖。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，若能參考設(shè)計(jì)流程圖進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，可以做到防止節(jié)點(diǎn)發(fā)生“脆性破壞”，保證節(jié)點(diǎn)受力的安全性、穩(wěn)定性。