甘晶，徐殿富，方成，何建春，胡夢菲

（1.浙江省工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310052；2浙大城市學(xué)院土木工程系，浙江 杭州 310012）

0 前言

實(shí)際工程中，側(cè)面焊縫是軸心受力板件連接的主要形式，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件拼接存在非全截面?zhèn)髁Φ那闆r，例如支撐節(jié)點(diǎn)，因連接節(jié)點(diǎn)處構(gòu)件形式發(fā)生轉(zhuǎn)變，兩構(gòu)件非全截面連接，若構(gòu)件通過抗剪連接，產(chǎn)生應(yīng)力分布不均，出現(xiàn)剪切滯后現(xiàn)象，截面強(qiáng)度無法發(fā)揮。美國AISC、加拿大CAS規(guī)范基于螺栓連接的形式給出的剪切滯后截面折減系數(shù)。而對焊接情況分析較少。得出的公式并不一定適用于側(cè)面焊縫連接的情況。

我國學(xué)者翁蘭溪等[1]關(guān)于圓管、板連接節(jié)點(diǎn)剪切滯后現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)和有限元研究，得出管板連接節(jié)點(diǎn)存在剪切滯后現(xiàn)象。2017年頒布的新《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）中，對常用的角鋼、H型鋼非全截面連接，給出了危險截面有效截面系數(shù)。而對其他截面形式并未給出，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師缺乏對規(guī)范未規(guī)定的截面形式通過側(cè)面焊縫連接節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理，按規(guī)范軸心受力構(gòu)件公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，忽略剪切滯后的影響，存在一定的安全隱患。

關(guān)于空間結(jié)構(gòu)及高層鋼結(jié)構(gòu)中方管-板連接形式中方管的連接效率問題，并未有學(xué)者進(jìn)行研究，方鋼管-板連接節(jié)點(diǎn)非全截面連接，規(guī)范中也未給出了危險截面有效截面系數(shù)。本文基于前期對圓管-板連接節(jié)點(diǎn)在軸向力作用下剪切滯后效應(yīng)的研究[2]，通過有限元分析，了解方管-板連接節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)受力性能，給出剪切滯后效應(yīng)系數(shù)，對實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)性作用。

1 有限元模型

1.1 試件設(shè)計(jì)

本次有限元分析共設(shè)計(jì)9個構(gòu)件，重點(diǎn)考察鋼管與板連接長度Lw對承載力的影響，試驗(yàn)材料選用Q235B鋼材，鋼管管徑、開槽長度見表1，試件尺寸見圖1。均為軸心受拉試件。

試件細(xì)部尺寸 表1

圖1 試件細(xì)部尺寸

試件設(shè)計(jì)之前按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，取擴(kuò)散角為30°，連接板厚度均為20mm，保證焊縫連接先于連接板破壞。

1.2 模型建立

本文選擇ABAQUS有限元模擬分析軟件進(jìn)行方鋼管-板連接節(jié)點(diǎn)在軸心受拉作用下的剪切滯效應(yīng)進(jìn)行分析。前期已有學(xué)者對鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的剪切滯后效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)和有限元分析并取得了預(yù)期的效果和結(jié)論[3～5]，并將相關(guān)結(jié)論寫入新版鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。說明用有限元軟件abaqus、ansys等通用有限元軟件分析的結(jié)果可靠。

本文選用鋼材為Q235-B，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用彈性-塑性-強(qiáng)化模型。屈服強(qiáng)度按規(guī)范取Q235MPa，極限強(qiáng)度取370Pa。本研究采用ABAQUS建立方管-板連接節(jié)點(diǎn)的三維有限元分析模型。在有限元模型中，采用C3D5實(shí)體單元，并且考慮合理的邊界條件，采用位移模擬加載，單元的選取、網(wǎng)格劃分及邊界條件見圖2。

圖2 有限元模型及網(wǎng)格劃分

2 結(jié)果分析

有限元實(shí)體單元建模，采用位移加載，分析得出Von-Mises應(yīng)力圖，管-板連接處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，破壞形態(tài)均為開槽部分管發(fā)生剪切破壞。管板連接部分達(dá)到屈服時，方管中未與連接板連接邊應(yīng)力仍較?。▓D中藍(lán)色部分），說明方管徑向應(yīng)力分布不均，構(gòu)件截面效率并未充分發(fā)揮。對比圖4中圖a、圖b、圖c知隨著Lw長度的增加，未與板連接邊應(yīng)力逐漸增大，說明Lw的增加雖然會提高截面效率，但仍存在“零應(yīng)力”區(qū)，如圖4中圖d所示，說明該連接剪切滯后現(xiàn)象明顯。

為形象說明有限元分析結(jié)果，將應(yīng)力以應(yīng)力流形式表達(dá)，板僅有一小部分與管連接，如果提高板的承載力，需要將局部連接應(yīng)力擴(kuò)散到板的橫斷面內(nèi)，即擴(kuò)散到?jīng)]有連接部分，可以解釋為板的應(yīng)力會從連接的一條線開始流向未連接部分，連接處應(yīng)力密度最大，該斷面應(yīng)力分布不均，距離連接處越遠(yuǎn)，應(yīng)力密度變得均勻，應(yīng)力集中不明顯，如圖3所示，鋼管部分應(yīng)力流也從開槽處不均勻向均勻過渡。從有限元應(yīng)力云圖可知，鋼管開槽長度越長，連接部分應(yīng)力分布相對均勻。

圖3 應(yīng)力跡線示意圖

圖4 典型試件應(yīng)力云圖

3 承載力分析及折減系數(shù)建議

為了更直觀地表達(dá)剪切滯后對軸拉構(gòu)件的影響，將剪力滯后系數(shù)用公式表達(dá)，其中：

α——剪力滯后系數(shù)

Fu——構(gòu)件極限荷載

f——鋼材的抗拉強(qiáng)度

A——正截面面積

Av——受剪截面面積

各個構(gòu)件分析結(jié)果 表2

從表二兩組結(jié)果分析結(jié)果可知，隨著開槽長度Lw的增加，極限承載力增加，α增加；達(dá)到一定程度時，承載力和α基本保持不變，α值均在0.9以上，如GJ3、GJ4承載力接近、GJ7、GJ8承載力接近。α基本保持不變，但小于0.95。

以上數(shù)據(jù)分析，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時，軸心受拉工況下，按照內(nèi)力進(jìn)行連接設(shè)計(jì)時應(yīng)對連接進(jìn)行折減，建議折減系數(shù)α取0.85。按照構(gòu)件全截面設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)截面時，分析得出α均大于0.9，連接達(dá)不到全截面有效，為此在構(gòu)件設(shè)計(jì)時，構(gòu)件應(yīng)力比建議不大于0.9。

4 結(jié)論

鋼結(jié)構(gòu)工程中，方管卓越的受力性能經(jīng)常會被用在重型廠房的支撐、高層建筑的柱子、支撐、以及空間結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件等工程中，新鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范針對角鋼、槽鋼、H型鋼的危險截面折減系數(shù)進(jìn)行了規(guī)定，給工程設(shè)計(jì)提供了非常便利的指導(dǎo)，而在方鋼管插板連接節(jié)點(diǎn)對接、和連接設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)人員往往按照桿件內(nèi)力進(jìn)行連接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，而未考慮剪切滯后的影響，而實(shí)際上，方管-板連接是做不到全截面有效設(shè)計(jì)時應(yīng)充分重視。

本文針對方管插板連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，來研究節(jié)點(diǎn)的剪切滯后影響，得出影響連接節(jié)點(diǎn)截面效率的因素，影響該連接節(jié)點(diǎn)承載力的因素為方鋼管與板的連接長度，在相同管徑的情況下，開槽長度的增加可以提高構(gòu)件的承載力。并按應(yīng)力流的形式對該連接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布進(jìn)行說明，本文并給出該種連接形式的剪切滯后影響系數(shù)建議值。提出減緩剪切滯后效應(yīng)的措施及剪切滯后系數(shù)的建議值。