張振宇，王志杰，劉彥東，劉健康

(中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710056)

近年來，隨著建筑業(yè)用工成本上升和綠色建筑的推廣，工業(yè)化裝配式建筑逐漸成為當(dāng)前建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢[1，2]。鋼結(jié)構(gòu)建筑具有工廠預(yù)制、現(xiàn)場安裝、材料輕質(zhì)高強、運輸成本低和綠色低碳環(huán)?？裳h(huán)利用的優(yōu)勢，是建筑工業(yè)化的最佳載體[3-5]，也符合創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的發(fā)展理念[6]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對水平構(gòu)件采用全螺栓剛性連接形式來實現(xiàn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)已有足夠研究[7，8]，但是對于豎向構(gòu)件(尤其是箱形截面柱)的拼接研究相對欠缺[9-11]。本文借助ABAQUS分析軟件[12]，建立了一種箱形鋼柱插入式拼接節(jié)點有限元模型并對其進(jìn)行受力分析，同時對影響其受力性能的參數(shù)進(jìn)行研究，以期為該節(jié)點的設(shè)計應(yīng)用提供參考。

1 節(jié)點強度、剛度判斷標(biāo)準(zhǔn)

箱形鋼柱插入式拼接節(jié)點由上、下法蘭板，高強螺栓，內(nèi)套管等部件組成，內(nèi)套管下端伸入下鋼柱內(nèi)并與其內(nèi)壁固定為一體，內(nèi)套管上端插入上鋼柱中，然后采用高強螺栓將上下法蘭板緊固連接，如圖1所示。內(nèi)套筒的作用首先是方便現(xiàn)場拼接，其次是通過內(nèi)套筒的抗彎性能傳遞拼接節(jié)點處的彎矩，水平力則由法蘭接觸面的摩擦力傳遞。

圖1 箱形鋼柱插入式拼接節(jié)點組成

對其拼接節(jié)點的受力性能進(jìn)行分析，首先要判斷其能否滿足構(gòu)件強度要求及剛度連續(xù)的假定。采用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—217)[13]8.1.1條作為節(jié)點強度的判斷依據(jù)，但在剛度判斷標(biāo)準(zhǔn)方面，我國規(guī)范并未明確節(jié)點彎矩-轉(zhuǎn)角曲線的計算方法，因此，本文參考?xì)W洲規(guī)范(EC3)[14]中節(jié)點剛度的分類方法作為剛度依據(jù)。

2 節(jié)點的有限元模型

2.1 模型建立

利用節(jié)點的對稱性，有限元模型建立時只取一半的節(jié)點，對拼接節(jié)點的不同部位分別建模，如圖2所示，節(jié)點模型由上柱、下柱、內(nèi)套管、高強螺栓、法蘭板組成。

2.2 單元選取和網(wǎng)格劃分

有限元模擬應(yīng)考慮材料、幾何及狀態(tài)的非線性，同時對于模型中的接觸進(jìn)行模擬，為有效解決剪切自鎖問題需要使用非協(xié)調(diào)模式單元，因此有限元模型中采用C3D8I單元(8節(jié)點六面體線性非協(xié)調(diào)單元)模擬節(jié)點所有組件。

圖2 拼接節(jié)點有限元模型

在柱拼接處螺栓和螺栓孔等截面形狀不規(guī)則區(qū)域和關(guān)鍵部位網(wǎng)格劃分較密，以便更好地觀察應(yīng)力分布情況。

2.3 材料的本構(gòu)關(guān)系

在有限元模型中，柱、法蘭盤及內(nèi)套管均采用Q345B鋼材，螺栓采用10.9級高強螺栓，所有鋼材材料模型采用雙線性+非線性強化材料模型[15]，其材料模型表達(dá)式如下：

所有試件的材性指標(biāo)見表1。由于ABAQUS中僅能接受材料的真實應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，因此，將式(1)中材料的工程應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系轉(zhuǎn)換為真實應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

σtrue=σnom(1+εnom)

(2)

表1 試件材性指標(biāo) MPa

2.4 接觸分析和螺栓預(yù)應(yīng)力模擬

接觸方式采用的是綁定約束和面與面接觸。該模型中焊縫拼接板與翼緣的連接均采用綁定約束，螺栓桿與孔壁之間、螺栓帽與拼接板、翼緣與板件間以及板件與板件間的接觸均采用面-面接觸方式考慮。

對于拼接節(jié)點，螺栓的預(yù)拉力對拼接應(yīng)力的影響是非常重要的。為了確保應(yīng)力模擬的可靠性，通過ABAQUS中的荷載功能模塊在螺栓桿橫截面上施加螺栓預(yù)拉力。

2.5 邊界條件和非線性求解控制

為了確保有限元模型的邊界條件與實際相符，在柱底約束所有節(jié)點的X、Y、Z方向的平動和轉(zhuǎn)動自由度，以模擬柱底剛接的邊界條件。由于僅考慮半個節(jié)點進(jìn)行模擬，因此，在模型對稱軸沿XZ平面定義對稱約束。耦合柱頂所有節(jié)點的平動自由度，同時對耦合節(jié)點施加X向位移，以模擬單調(diào)加載。

采用全Newton-Raphson法，該方法是將一個分析步分解為多個子步，使用子步依次增加載荷，進(jìn)行非線性迭代求解的方法，每次迭代都對剛度矩陣進(jìn)行修正，不但能提高計算結(jié)果的精確度，而且增強了求解的收斂性。

3 BASE試件受力性能分析

按照第2節(jié)所述的原則建立BASE試件有限元模型，通過分析得到該試件的荷載-柱頂位移關(guān)系曲線、極限荷載、破壞模式。

3.1 試件設(shè)計及受力模型

上下箱形鋼柱采用1000mm×40mm，內(nèi)套管為900mm×20mm，上端插入深度500mm，法蘭板厚度50mm，采用10.9級摩擦型高強螺栓M30連接，如圖3(a)所示，試件受力模型如圖3(b)所示。

圖3 BASE試件尺寸及受力模型(mm)

3.2 荷載-柱頂位移關(guān)系曲線

有限元分析得到的BASE試件荷載-柱頂位移關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可知，試件經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段后達(dá)到其極限荷載，之后荷載下降，節(jié)點失去繼續(xù)承載的能力。將該曲線轉(zhuǎn)換為鋼柱插入式拼接節(jié)點的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線，節(jié)點彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線如圖5所示。由彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線的初始剛度可判斷該拼接節(jié)點是否滿足剛性連接的要求，由節(jié)點荷載-柱頂位移關(guān)系曲線可得該節(jié)點的主要力學(xué)特性見表2，同時表2中給出鋼柱強度及剛度需求值。

圖4 BASE試件荷載-柱頂位移關(guān)系曲線

圖5 BASE試件彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線

由表2中數(shù)據(jù)可知，按等強設(shè)計的鋼柱插入式拼接節(jié)點滿足強度及剛度要求。

表2 BASE試件的關(guān)鍵受力性能

3.3 破壞模式

BASE試件從開始加載到破壞過程中的變形及應(yīng)力變化如圖6所示。從圖6中可見，在豎向荷載加載結(jié)束時，內(nèi)套管并未參與受力。當(dāng)節(jié)點承受水平荷載時，內(nèi)套管開始受力，當(dāng)水平荷載加載至屈服荷載時，上、下柱法蘭板緊密貼合，所有部件均處于彈性狀態(tài)。達(dá)到極限荷載時，上、下柱及內(nèi)套管部分屈服，此時上、下柱法蘭板在節(jié)點受拉側(cè)有張開趨勢，內(nèi)套管上部出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象。隨著水平荷載繼續(xù)增大，上、下柱法蘭板在節(jié)點受拉側(cè)張開，內(nèi)套管原有局部屈曲變形進(jìn)一步加劇，節(jié)點承載力下降，試件破壞。由于法蘭厚度滿足等強要求，因此整個加載過程中未見法蘭彎曲。

圖6 BASE試件加載過程的變形及應(yīng)力云圖

4 參數(shù)分析

在已有的BASE試件模型分析的基礎(chǔ)上，通過改變軸壓比、內(nèi)套管長度、內(nèi)套管厚度、法蘭板厚度及螺栓預(yù)拉力等參數(shù)設(shè)計了五組試件模型，并研究各組試件在單調(diào)荷載作用下的初始剛度、極限承載力及應(yīng)力分布狀況。通過對比分析，得到各參數(shù)對箱形鋼柱插入式拼接節(jié)點受力性能的影響規(guī)律。

4.1 軸壓比

為分析柱軸壓比對拼接節(jié)點受力性能的影響，設(shè)計了ZYB系列試件，此系列試件與BASE試件相比，除柱軸壓比外，其他幾何參數(shù)均保持不變。由圖7可知，隨著軸壓比增大，所有ZYB試件均經(jīng)歷了與BASE試件相似的變形過程。當(dāng)軸壓比為0.3和0.4時，試件荷載-位移曲線趨于重合，鋼柱插入式拼接節(jié)點的性能趨于穩(wěn)定。當(dāng)軸壓比繼續(xù)增大時，節(jié)點初始剛度會有小幅度提高，但其連接承載力幾乎趨于不變。從表3可知，試件的屈服位移和屈服荷載隨軸壓比的增大而增大，極限位移則呈降低趨勢，但極限荷載隨軸壓比增大。以上分析表明：軸壓比在0.2～0.4之間時能滿足初始剛度及承載力要求，且隨著軸壓比增大節(jié)點初始剛度及承載力略有提高。

圖7 ZYB系列試件的荷載-柱頂位移關(guān)系曲線

表3 ZYB系列試件的關(guān)鍵受力性能

4.2 內(nèi)套管外伸長度

為分析內(nèi)套管外伸長度對拼接節(jié)點受力性能的影響，設(shè)計NTB系列試件，此系列試件與BASE試件相比，除內(nèi)套管外伸長度外，其他幾何參數(shù)均保持不變，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，各試件荷載-位移曲線在開始加載時基本重合，隨著荷載增大，內(nèi)套管外伸長度較小的試件NTB0.25剛度明顯降低，在較低的荷載下達(dá)到極限承載力，但對于內(nèi)套筒外伸長度大于柱外輪廓尺寸0.5倍的其他試件，在試件屈服前，各試件荷載-位移曲線仍保持基本重合。NTB系列試件的關(guān)鍵受力性能見表4，試件屈服荷載、極限位移、極限荷載均及初始剛度均隨內(nèi)套管外伸長度增大而增大。增長速度均為前期增長較快，后期增長緩慢。以上分析表明：適當(dāng)提高內(nèi)套管外伸長度可以提高拼接節(jié)點的承載力和剛度，但從經(jīng)濟性及安裝角度考慮，建議內(nèi)套管外伸長度取柱外輪廓尺寸的0.5～0.8倍。

4.3 內(nèi)套管厚度

為分析內(nèi)套管厚度對拼接節(jié)點受力性能的影響，設(shè)計NTT系列試件，此系列試件與BASE試件相比，除內(nèi)套管厚度外，其他幾何參數(shù)均保持不變，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，各試件在屈服前荷載-位移曲線基本重合，當(dāng)內(nèi)套筒厚度大于0.6倍柱壁板厚度時，在達(dá)到試件極限承載力后，荷載-位移曲線下降緩慢。NTT系列試件的關(guān)鍵受力性能見表5，隨著內(nèi)套管厚度增大，試件的屈服位移、屈服荷載、極限位移、極限荷載均及初始剛度均隨內(nèi)套管厚度增大而增大。增長速度均為前期增長較快，后期增長緩慢。以上分析表明：適當(dāng)提高內(nèi)套管厚度可以提高拼接節(jié)點的承載力和剛度，但從經(jīng)濟性及安裝角度考慮，建議內(nèi)套管厚度為箱形柱壁板厚度的0.6～1.0倍。

表4 NTB系列試件的關(guān)鍵受力性能

圖8 NTB系列試件荷載-柱頂位移關(guān)系曲線

圖9 NTT系列試件荷載-柱頂位移關(guān)系曲線

4.4 法蘭板厚度

為分析法蘭板厚度對拼接節(jié)點受力性能的影響，設(shè)計FLT系列試件，此系列試件與BASE試件相比，除法蘭板厚度變化外，其他幾何參數(shù)均保持不變。有限元分分析結(jié)果表明：加大法蘭板厚度可以提高拼接節(jié)點的承載力和剛度，但提高幅度有限，因此，建議法蘭板厚度應(yīng)取柱壁板厚度的0.6～1.0倍。

4.5 螺栓預(yù)拉力

施工過程中由于操作原因，可能發(fā)生螺栓漏擰或緊固力矩不滿足設(shè)計要求的情況，這都會導(dǎo)致螺栓預(yù)拉力不能達(dá)到其設(shè)計值。為分析螺栓預(yù)拉力對拼接節(jié)點受力性能的影響，設(shè)計BIF系列試件，此系列試件與BASE試件相比，除螺栓預(yù)拉力大小外，其他幾何參數(shù)均保持不變。有限元分分析結(jié)果表明：按照設(shè)計值施加螺栓預(yù)拉力可以提高拼接節(jié)點的后期承載力和剛度，因此，建議實際設(shè)計及施工過程中，應(yīng)按設(shè)計值對螺栓施加預(yù)拉力。

表5 NTT系列試件的關(guān)鍵受力性能

5 結(jié) 論

1)軸壓比在0.2～0.4之間時能滿足初始剛度及承載力要求，且隨著軸壓比增大節(jié)點初始剛度及承載力略有提高。

2)適當(dāng)提高內(nèi)套管外伸長度可以提高拼接節(jié)點的承載力和剛度，但從經(jīng)濟性及安裝角度考慮，建議內(nèi)套管外伸長度取柱外輪廓尺寸的0.5～0.8倍。

3)適當(dāng)提高內(nèi)套管厚度可以提高拼接節(jié)點的承載力和剛度，但從經(jīng)濟性及安裝角度考慮，建議內(nèi)套管厚度為箱形柱壁板厚度的0.6～1.0倍。

4)加大法蘭板厚度可以提高拼接節(jié)點的承載力和剛度，但提高幅度有限，因此，建議法蘭板厚度應(yīng)取柱壁板厚度的0.6～1.0倍。

5)按照設(shè)計值施加螺栓預(yù)拉力可以提高拼接節(jié)點的后期承載力和剛度，建議實際設(shè)計及施工過程中，應(yīng)按設(shè)計值對螺栓施加預(yù)拉力。