董新元 劉仲洋，2 毛 會(huì) 王安安 張明普 陳 杰

(1.河北建筑工程學(xué)院，張家口 075000；2.河北省土木工程診斷，改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，張家口 075000)

0 引 言

鋼材和傳統(tǒng)的建筑材料相比具有更高的強(qiáng)屈比，鋼構(gòu)件的安裝、二次加工以及搬運(yùn)更加便捷[1].同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠提前在工廠內(nèi)預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)安裝大多采用螺栓連接，這樣使得安裝更加機(jī)械化，大大提高了勞動(dòng)效率[2].近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者將鋼結(jié)構(gòu)建筑中的梁柱節(jié)點(diǎn)研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了外形規(guī)則的方鋼管柱與H型鋼梁的連接，方鋼管柱具有比工字型或H型柱抗扭剛度大、承載力高等優(yōu)點(diǎn)，更適合應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)建筑.但方鋼管柱屬于閉口型截面，無(wú)法采用傳統(tǒng)的高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，而單向螺栓的應(yīng)用改變了閉口截面?zhèn)鹘y(tǒng)的連接方式[3]，使得鋼管柱等封閉截面構(gòu)件與鋼梁的連接不再依賴(lài)于現(xiàn)場(chǎng)焊接或?qū)Υ┞菟ㄊ竭B接等傳統(tǒng)方式[4]，極大的提高了施工效率和施工質(zhì)量.本文提出了一種新型的梁柱節(jié)點(diǎn)連接形式：方鋼管柱-H型鋼梁頂?shù)譚型鋼單向螺栓連接節(jié)點(diǎn)，其中T型鋼翼緣與柱翼緣采用澳大利亞的AJAX ONESIDE BOLT單向螺栓進(jìn)行連接，梁翼緣和T型鋼腹板采用普通的高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，利用ABAQUS有限元分析軟件建立方鋼管柱-H型鋼梁頂?shù)譚型鋼單向螺栓連接節(jié)點(diǎn)的有限元模型，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析.

1 節(jié)點(diǎn)有限元模型建立

根據(jù)裝配式鋼結(jié)構(gòu)常用的梁柱尺寸和層高要求并結(jié)合研究目的，選取平面框架中梁柱反彎點(diǎn)間的典型邊柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，其中梁取計(jì)算反彎點(diǎn)處，梁長(zhǎng)取為1.45 m,柱取相鄰樓層層高的一半，即理論反彎點(diǎn)位置，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)柱高進(jìn)行調(diào)整，本文取柱高為1.75 m，試件型號(hào)為：400*200*8*13的H型鋼梁；250*250*12的方鋼管柱，197*200*8*10的T型件，10.9級(jí)M20高強(qiáng)螺栓以及10.9級(jí)M20 AJAX ONESIDE BOLT單向螺栓，除單向螺栓和高強(qiáng)螺栓外其余構(gòu)件均為Q235鋼.依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB50017-2017》[5]、《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程:JGJ 82-2011》[6]和Hollo-bolt說(shuō)明書(shū)中關(guān)于螺栓間距的規(guī)定并考慮T型件尺寸，單向螺栓采用4排2列對(duì)稱(chēng)布置.梁端施加豎直向上的荷載，頂部T型件受壓底部T型件受拉，模型平面圖見(jiàn)圖1，三維模型見(jiàn)圖2所示.

圖1 節(jié)點(diǎn)平面尺寸圖

圖2 節(jié)點(diǎn)有限元模型 圖3 加載制度圖

1.1 構(gòu)件本構(gòu)關(guān)系

在試驗(yàn)中測(cè)試得到的數(shù)據(jù)不能直接應(yīng)用于ABAQUS中，因此需要按照公式1-1、1-2、1-3對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)換算得到材料的本構(gòu)關(guān)系，最終材料參數(shù)見(jiàn)表1.

εtrue=ln(1+εnom)

1-1

σtrue=σnom(1+εnom)

1-2

表1 材料參數(shù)表

1.2 破壞準(zhǔn)則

對(duì)于方鋼管柱-H型鋼梁頂?shù)譚型鋼連接節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)域主要由頂?shù)譚型鋼、柱壁以及單向螺栓組成，在梁端彎矩作用下，當(dāng)出現(xiàn)下列情況時(shí)判定節(jié)點(diǎn)失效：

(1)單向螺栓受拉屈服或出現(xiàn)拉脫、剪斷現(xiàn)象；

(2)T型鋼翼緣彎曲變形過(guò)大或出現(xiàn)斷裂；

(3)發(fā)生明顯的柱壁屈曲破壞；

(4)由于鋼材材料本構(gòu)采用雙折線模型，因此當(dāng)各構(gòu)件所受到的應(yīng)力超過(guò)了極限應(yīng)力且隨著荷載繼續(xù)增加應(yīng)力保持不變時(shí)則視為構(gòu)件失效.

1.3 分析步定義

節(jié)點(diǎn)的模擬共需要施加三部分荷載：柱頂軸力、螺栓預(yù)緊力和梁端加載.其中螺栓預(yù)緊力直接利用ABAQUS中自帶的螺栓載荷進(jìn)行創(chuàng)建，高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力為155 kN，單向螺栓預(yù)緊力為203 kN.模擬共分為三個(gè)分析步：

在第一個(gè)分析步中創(chuàng)建螺栓載荷，定義螺栓預(yù)緊力為155 kN、203 kN.在螺桿的中部創(chuàng)建一個(gè)中心面作為施加螺栓預(yù)緊力的面，螺栓載荷在第二個(gè)分析步中傳遞，在第三個(gè)分析步中進(jìn)行修改，選擇“固定在當(dāng)前長(zhǎng)度”.

在第二個(gè)分析步中施加柱頂軸壓力.根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB50017-2017》[5]，選取軸壓比為0.3，根據(jù)以下公式算得柱頂所需要施加的軸壓力.

N=μN(yùn)0

2-4

N0=fyAs

2-5

其中，fy代表方鋼管柱所使用鋼材的屈服強(qiáng)度，As代表方鋼管柱的橫截面面積，通過(guò)查詢(xún)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件表獲得.

第三個(gè)分析步施加梁端載荷，梁端荷載采用位移控制，加載制度如圖3所示.

2 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變分析

對(duì)方鋼管柱-H型鋼梁頂?shù)譚型鋼單向螺栓節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加載，當(dāng)各構(gòu)件所受到的應(yīng)力超過(guò)了極限應(yīng)力且隨著荷載繼續(xù)增加應(yīng)力保持不變時(shí)則視為構(gòu)件失效，節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖4.根據(jù)破壞準(zhǔn)則以及節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變有限元模擬結(jié)果可知，此類(lèi)節(jié)點(diǎn)最先發(fā)生破壞的是T型件，當(dāng)加載位移達(dá)到131.4 mm，相應(yīng)荷載達(dá)到84.972 kN時(shí)，T型件的應(yīng)力達(dá)到極限應(yīng)力狀態(tài)，再繼續(xù)增加梁端位移T型件的應(yīng)力不在增加，認(rèn)為此種狀態(tài)下構(gòu)件失效，加載達(dá)到結(jié)構(gòu)所能承受的極限荷載.當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力云圖可以觀察到，T型件被拉離柱翼緣一定距離，應(yīng)力的最大部位在底部T型件的受拉螺栓處.其中，底部T型件腹板與翼緣相交處的應(yīng)力達(dá)到材料的極限應(yīng)力，形成貫通裂縫；節(jié)點(diǎn)域范圍內(nèi)，底部T型件與柱翼緣(與T型件翼緣相交側(cè))相交處的應(yīng)力超過(guò)材料的屈服應(yīng)力，發(fā)生明顯塑性變形，其他部位均處于彈性階段；梁上除部分螺栓孔處達(dá)到材料屈服強(qiáng)度產(chǎn)生塑性變形外，其余大部分范圍材料均處于彈性狀態(tài)，表明梁的材料利用率不高.通過(guò)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變?cè)茍D可知，底部T型件翼緣與腹板相交處最先出現(xiàn)塑性變形，頂部T型件的塑性變形主要集中在T型件翼緣與柱翼緣相交處，主要由于T型件受壓和螺栓撬力所導(dǎo)致.

(a)節(jié)點(diǎn)Mises云圖 (b)節(jié)點(diǎn)PEEQ云圖

2.1 節(jié)點(diǎn)區(qū)柱應(yīng)力應(yīng)變分析

通過(guò)ABAQUS的構(gòu)件顯示功能單獨(dú)顯示出柱構(gòu)件進(jìn)行分析，觀察節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限承載力時(shí)柱的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，底部T型件與柱翼緣相接觸部位所受應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為364.9 MPa,出現(xiàn)在螺栓與栓孔接觸處，明顯超過(guò)材料的屈服應(yīng)力，但均沒(méi)達(dá)到材料的極限應(yīng)力，在節(jié)點(diǎn)域附近底部受拉側(cè)柱翼緣基本全部進(jìn)入塑性發(fā)展階段，頂部受壓側(cè)則僅在螺栓孔周?chē)型件翼緣與柱翼緣邊界相接區(qū)域進(jìn)入塑性發(fā)展階段，且所受應(yīng)力要明顯小于受拉側(cè).通過(guò)分析步幀可以觀察到，在第一個(gè)分析步中，施加完全部螺栓預(yù)緊力后，栓桿與栓孔接觸部位以及栓帽與構(gòu)件接觸部位材料超過(guò)屈服應(yīng)力，進(jìn)入塑性發(fā)展階段，主要是由于螺栓在施加完預(yù)緊力后，強(qiáng)大的擠壓力使構(gòu)件提前產(chǎn)生了一定程度的塑性變形.隨著梁端位移增大，底部受拉區(qū)節(jié)點(diǎn)域的應(yīng)力不斷發(fā)展，螺栓孔附近的應(yīng)力先沿y軸擴(kuò)展，在逐漸向x軸方向擴(kuò)展，最后沿栓孔周?chē)纬梢蝗?qiáng)應(yīng)力區(qū).在這一階段螺栓預(yù)緊力用于抵抗梁端傳來(lái)的拉力作用，但隨著梁端荷載增加，螺栓預(yù)緊力逐漸被克服，柱翼緣開(kāi)始逐漸被拉起，最后形成凸曲線型的破壞狀態(tài).而隨著梁端荷載增加，上部節(jié)點(diǎn)域受壓越來(lái)越明顯，而受壓應(yīng)力最大部位則和受拉應(yīng)力最大部位正好相反，最后形成凹曲線型的破壞模式，柱的應(yīng)力-應(yīng)變圖如圖5所示.

(a)柱Mises云圖 (b)柱PEEQ云圖

2.2 節(jié)點(diǎn)區(qū)梁應(yīng)力應(yīng)變分析

節(jié)點(diǎn)梁的應(yīng)力應(yīng)變圖如圖6所示，從圖中可以看出應(yīng)力主要集中在與T型件腹板相接觸部位以及栓孔位置，其中應(yīng)力最大部位在螺栓孔附近，梁上除部分螺栓孔與栓桿接觸部分發(fā)生屈服外其他部位均未達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，因此可以判斷梁基本處于彈性階段.隨著梁端荷載增加，應(yīng)力開(kāi)始向螺栓孔周?chē)?jié)點(diǎn)域范圍發(fā)展，應(yīng)力逐漸從遠(yuǎn)離加載端的一側(cè)向加載端發(fā)展，在梁翼緣與腹板相交處也出現(xiàn)明顯的應(yīng)力增長(zhǎng)現(xiàn)象.

(a)梁Mises云圖 (b)梁PEEQ云圖

2.3 節(jié)點(diǎn)區(qū)T型件的應(yīng)力應(yīng)變分析

節(jié)點(diǎn)T型件的應(yīng)力應(yīng)變圖見(jiàn)圖7、圖8，通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，底部T型件受拉，在達(dá)到節(jié)點(diǎn)極限承載力時(shí)T型件被拉離柱翼緣一定距離，呈現(xiàn)凸曲線型；而頂部T型件受壓，最后達(dá)到節(jié)點(diǎn)極限承載力時(shí)呈現(xiàn)凹曲線型.從圖中可以看出，底部受拉側(cè)T型件所受應(yīng)力明顯大于頂部受壓側(cè)，底部T型件應(yīng)力最大部位集中在T型件翼緣和腹板交界處，已達(dá)到材料的極限屈服強(qiáng)度，在繼續(xù)增加梁端荷載，T型件的應(yīng)力不在增加；底部T型件翼緣的螺栓孔附近材料全部進(jìn)入塑性發(fā)展階段，而底部T型件腹板所受應(yīng)力則相對(duì)較小.

頂部受壓T型件所受最大應(yīng)力為413.602MPa,主要在T型件翼緣與腹板相交的角部，角部位置由于受壓而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象.底部T型件最大應(yīng)力為445MPa，此后再繼續(xù)增加梁端位移T型件所受應(yīng)力不在發(fā)生變化，其中，最先達(dá)到材料極限強(qiáng)度的是翼緣與腹板相交處，在節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限承載力時(shí)，翼緣與腹板相交部位出現(xiàn)塑性鉸，并形成貫通趨勢(shì)，而此時(shí)柱、梁以及螺栓均未達(dá)到材料的極限屈服強(qiáng)度，此現(xiàn)象表明T型件翼緣與腹板相交部位為節(jié)點(diǎn)的薄弱部位，節(jié)點(diǎn)破壞主要是由于底部受拉T型件翼緣與腹板相交部位被拉斷所致.

(a)底部T型鋼Mises云圖 (b)頂部T型鋼Mises云圖

(a)底部T型鋼P(yáng)EEQ云圖 (b)頂部T型鋼P(yáng)EEQ云圖

2.4 節(jié)點(diǎn)區(qū)螺栓應(yīng)力應(yīng)變分析

單向螺栓和高強(qiáng)螺栓應(yīng)力如圖9、10所示，從圖9中可知，底部單向螺栓受到的應(yīng)力明顯高于頂部單向螺栓.單向螺栓的最大應(yīng)力出現(xiàn)在栓帽與栓桿相交處以及栓桿與柱和T型件翼緣相交處，最大應(yīng)力出現(xiàn)主要由于螺栓承受沿桿軸方向拉力和垂直于桿軸方向的剪切力，隨著梁端荷載不斷施加，螺栓預(yù)緊力被克服，T型件與柱翼緣之間的摩擦力消失，T型件與柱翼緣之間產(chǎn)生相對(duì)滑移導(dǎo)致螺栓桿與孔壁之間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)致使孔壁承壓.對(duì)于高強(qiáng)螺栓而言，隨梁端位移施加，螺栓主要受到沿桿軸方向的拉壓力以及垂直于桿軸方向的剪切力，高強(qiáng)螺栓的屈服強(qiáng)度較高，在節(jié)點(diǎn)傳力過(guò)程中均處于彈性階段.

(a)底部單向螺栓Mises云圖 (b)頂部單向螺栓Mises云圖

(a)底部高強(qiáng)螺栓Mises云圖 (b)頂部高強(qiáng)螺栓Mises云圖

3 節(jié)點(diǎn)荷載位移曲線分析

圖11 節(jié)點(diǎn)荷載位移曲線圖

節(jié)點(diǎn)的荷載位移曲線如圖11所示，由于在定義材料的本構(gòu)關(guān)系時(shí)沒(méi)有定義材料的下降段因此在進(jìn)行有限元模擬時(shí)無(wú)法模擬出曲線的下降段.從圖中可以看出，節(jié)點(diǎn)變形經(jīng)歷了彈性階段、塑性階段以及破壞階段，曲線最初呈直線狀態(tài)，荷載-位移曲線呈現(xiàn)線性關(guān)系，隨著荷載施加，T型件逐漸被拉離柱翼緣，荷載-位移曲線不在呈線性關(guān)系，節(jié)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)入塑性變形階段，此后再繼續(xù)增加荷載，T型件被拉離柱翼緣的距離越來(lái)越大，最終T型件翼緣和腹板相交位置被拉斷，節(jié)點(diǎn)破壞.節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)的極限承載力為85 kN，極限位移為131.39 mm，極限轉(zhuǎn)角為0.09 rad，節(jié)點(diǎn)具有良好的延性性能和承載能力.

4 結(jié) 論

本文提出了一種新型的梁柱連接節(jié)點(diǎn)，通過(guò)整合模擬數(shù)據(jù)，對(duì)此類(lèi)節(jié)點(diǎn)的破壞現(xiàn)象、受力特征及各組件應(yīng)力應(yīng)變分布、變化規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)分析，研究了連接節(jié)點(diǎn)在彈性階段、彈塑性階段及破壞階段的特點(diǎn)，研究表明此類(lèi)新型節(jié)點(diǎn)具有良好的承載能力、剛度和延性性能，并且施工難度低施工效率高，因此新型節(jié)點(diǎn)具有工程可應(yīng)用性.根據(jù)研究結(jié)果，得到了如下結(jié)論：

(1)節(jié)點(diǎn)最先發(fā)生破壞的是底部受拉區(qū)T型件，隨著荷載施加，受拉區(qū)T型件逐漸被拉離柱翼緣一定距離，在節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限承載力時(shí)，T型件翼緣與腹板相交部位出現(xiàn)塑性鉸，并形成貫通趨勢(shì)，而此時(shí)柱、梁以及螺栓均未達(dá)到材料的極限屈服強(qiáng)度，節(jié)點(diǎn)最終的失效模式為T(mén)型件翼緣腹板相交處被拉斷破壞，在實(shí)際的應(yīng)用中可以考慮T型件和柱翼緣的連接加強(qiáng).

(2)隨著梁端位移增大，底部受拉區(qū)節(jié)點(diǎn)域的應(yīng)力不斷發(fā)展，在這一階段螺栓預(yù)緊力用于抵抗梁端傳來(lái)的拉力作用，但梁端荷載不斷增加，螺栓預(yù)緊力逐漸被克服，柱翼緣開(kāi)始逐漸被拉起，最后柱子形成凸曲線型的破壞狀態(tài).

(3)單向螺栓的最大應(yīng)力出現(xiàn)在栓帽與栓桿相交處以及栓桿與柱和T型件翼緣相交處，最大應(yīng)力出現(xiàn)主要由于螺栓承受沿桿軸方向拉力和垂直于桿軸方向的剪切力，隨著梁端荷載不斷施加，螺栓預(yù)緊力被克服，T型件與柱翼緣之間的摩擦力消失，T型件與柱翼緣之間產(chǎn)生相對(duì)滑移導(dǎo)致螺栓桿與孔壁之間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)致使孔壁承壓.