于 鵬

（煙臺(tái)仲伯企業(yè)管理咨詢有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

鋼框架結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的主要形式之一，其穩(wěn)定性和安全性對(duì)于建筑物的使用壽命和安全性具有重要意義[1]。在鋼框架結(jié)構(gòu)中，鋼框架柱是重要的承重構(gòu)件，但由于制造、安裝等方面的原因，鋼框架柱不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種形式的拼接節(jié)點(diǎn)，其中，鋼框架柱栓焊混合拼接節(jié)點(diǎn)是一種常用的形式，它是一種結(jié)合了栓接和焊接的節(jié)點(diǎn)形式，其具有較高的承載力和良好的延展性，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)全焊接節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)形式的剛度會(huì)有所降低，這可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響[2-3]。同時(shí)，栓焊混合拼接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、制造和安裝等方面的因素也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生重要影響[4]。因此，研究鋼框架柱栓焊混合拼接節(jié)點(diǎn)的剛性及其對(duì)柱和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的影響具有重要意義。

1 工程概況

山東省煙臺(tái)市某框架建筑工程，采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為8 度（0.2 g），結(jié)構(gòu)高度為49.2 m，建筑面積為75 264 m2，建筑平面為矩形，橫向柱間距均為4 800 mm，縱向柱間距分別為6 000 mm、4 000 mm 和6 000 mm，地上結(jié)構(gòu)層數(shù)為14 層，層高3.5m，樓板采用壓型鋼板組合樓板，主梁采用Q345 鋼材，主梁跨度為6 000 mm 時(shí)，梁高取為500 mm，跨度為4 000 mm 時(shí)，梁高取為400 mm，結(jié)構(gòu)柱采用Q235 鋼材，框架柱截面為HW300 mm×300 mm，為了滿足結(jié)構(gòu)剛度要求，在建筑角點(diǎn)采用方形鋼管截面角柱，柱截面邊長(zhǎng)為450 mm，厚度為16 mm，柱與柱之間、柱與梁之間均采用栓焊混合拼接節(jié)點(diǎn)。

2 建筑鋼框架柱栓焊混合拼接節(jié)點(diǎn)的剛度影響因素仿真分析

在建筑鋼框架柱結(jié)構(gòu)的拼接中，主要采取3 種主要的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行構(gòu)件連接，分別是全焊接方式（上下柱翼緣和腹板采用全熔透坡口對(duì)接焊接）、全機(jī)械連接方式（翼緣板和腹板兩側(cè)加拼接板并采用高強(qiáng)螺栓摩擦型連接）、栓焊混合連接方式（翼緣采用焊縫連接，腹板采用高強(qiáng)螺栓摩擦型連接）[5-6]。全焊接方式的柱框架受力可靠、但具有大量的現(xiàn)場(chǎng)施工焊接工作；全機(jī)械連接方式具有較高的施工效率，但是螺栓的連接容易出現(xiàn)滑動(dòng)缺陷，從而導(dǎo)致連接節(jié)點(diǎn)的剛度損失；栓焊混合連接方式在保證焊接工作量減少的基礎(chǔ)上，又避免了高強(qiáng)螺栓的滑移，因此是目前較為廣泛應(yīng)用的鋼框架柱節(jié)點(diǎn)連接形式[7]。在拼接節(jié)點(diǎn)滿足等強(qiáng)設(shè)計(jì)要求條件下，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，柱拼接節(jié)點(diǎn)的剛度可以定義為結(jié)構(gòu)受到的力偶與其對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角之間的比值，如公式（1）所示[8-9]。

式中，k為鋼框架柱栓混合節(jié)點(diǎn)的剛度；M為鋼框架柱栓混合節(jié)點(diǎn)受到的彎矩；θ為鋼框架柱栓混合節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角；E為鋼材的彈性模量；A為單側(cè)翼緣的截面面積；H為鋼框架柱的截面高度；d為螺栓的水平間距；l 為拼接處翼緣發(fā)生有效變形區(qū)域內(nèi)的長(zhǎng)度。

為研究剛框架柱栓混拼接節(jié)點(diǎn)剛度的影響因素，基于有限元模擬軟基ABAQUS 建立節(jié)點(diǎn)三維計(jì)算模型，如圖1 所示。計(jì)算中采用的柱型鋼與實(shí)際工程一致，規(guī)格為HW300 mm×300 mm，鋼材材質(zhì)為Q235 鋼材，型鋼截面寬度為294 mm，截面高度為302 mm，上下翼緣板厚度為12 mm，腹板厚度為20 mm，截面面積為108.30 mm2，理論重量為85 kg/m，慣性矩為L(zhǎng)x=17 000 mm4，Ly=5 520 mm4，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215 MPa，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為125 MPa；型鋼腹板之間的機(jī)械連接采用高強(qiáng)度摩擦型螺栓，螺栓數(shù)目為6，分為2排，按照橫向間距為70 mm，縱向間距為105 mm進(jìn)行布置；高強(qiáng)螺栓與型鋼柱之間設(shè)Q235 鋼材墊板，墊板寬度為230 mm，高度為195 mm。計(jì)算時(shí)，鋼柱、高強(qiáng)螺栓和墊板的彈性模量均取2.06×105MPa，泊松比均取0.30，鋼柱、高強(qiáng)螺栓的抗滑移系數(shù)均取0.45，墊板的抗滑移系數(shù)取0.15，鋼柱和墊板的屈服強(qiáng)度均為235 MPa，高強(qiáng)螺栓的屈服強(qiáng)度為940 MPa。剛框架柱栓混拼接節(jié)點(diǎn)初始剛度為52.25 MN·m/rad，彈性階段最大轉(zhuǎn)角為0.00 213 rad，彈塑性階段最大轉(zhuǎn)角為0.00 793 rad。

圖1 鋼框架柱栓焊混合拼接節(jié)點(diǎn)三維有限元計(jì)算模型

運(yùn)用控制變量法研究鋼框架柱栓混合拼接節(jié)點(diǎn)的影響因數(shù)，考慮變量為鋼柱的腹板厚度和軸壓比，設(shè)置的計(jì)算工況如表1 所示。

表1 鋼框架柱栓焊混合拼接節(jié)點(diǎn)計(jì)算工況

圖2 為鋼框架柱腹板厚度對(duì)栓焊混合拼接節(jié)點(diǎn)剛度的影響模擬計(jì)算結(jié)果。從圖2 中可以看出，隨著H 型鋼腹板厚度的增加，鋼框架柱栓焊混合拼接節(jié)點(diǎn)剛度呈線形增加的趨勢(shì)，與18 mm 鋼腹板厚度相比（工況A），20、22 和24 mm 鋼腹板厚度的節(jié)點(diǎn)剛度分別提高13%、32%、41%，腹板厚度與節(jié)點(diǎn)剛度之間具有良好的擬合關(guān)系，擬合決定系數(shù)為0.981 1，如公式（2）所示。

圖2 鋼框架柱腹板厚度對(duì)栓焊混合拼接節(jié)點(diǎn)剛度的影響

圖3 為鋼框架柱軸壓比對(duì)栓焊混合拼接節(jié)點(diǎn)剛度的影響模擬計(jì)算結(jié)果。從圖3中可以看出，隨著鋼框架柱軸壓比的增加，鋼框架柱栓焊混合拼接節(jié)點(diǎn)剛度呈線形減小的趨勢(shì)，與工況E相比，工況A 的節(jié)點(diǎn)剛度降低了0.48%，工況F的節(jié)點(diǎn)剛度降低了6.22%，工況G 節(jié)點(diǎn)剛度降低了8.86%，工況H 節(jié)點(diǎn)剛度降低了10.05%，軸壓比與節(jié)點(diǎn)剛度之間具有良好的擬合關(guān)系，擬合決定系數(shù)為0.929 6，如公式（3）所示。

圖3 鋼框架柱軸壓比對(duì)栓焊混合拼接節(jié)點(diǎn)剛度的影響

3 建筑鋼框架柱栓混合拼接節(jié)點(diǎn)對(duì)柱的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能影響的仿真分析

為了研究建筑鋼框架柱栓混合拼接節(jié)點(diǎn)對(duì)柱的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的影響，同樣運(yùn)用數(shù)值模擬手段，計(jì)算有側(cè)向位移條件下不同梁柱剛度比值的鋼框架柱穩(wěn)定承載力，以及鋼框架柱失穩(wěn)計(jì)算長(zhǎng)度，并將計(jì)算結(jié)果與全焊接方式進(jìn)行對(duì)比。設(shè)定的計(jì)算工況如表2 所示，工況A、工況J、工況M 和工況N 為鋼框架柱兩端均為鉸接，工況K、工況L、工況O 和工況P 為鋼框架柱一端固結(jié)、一端自由。

表2 鋼框架柱栓混合拼接節(jié)點(diǎn)對(duì)柱和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能影響的計(jì)算工況

表3 為不同計(jì)算工況下鋼框架柱的穩(wěn)定承載力以及鋼框架柱失穩(wěn)計(jì)算長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果。從表3 中可以看出，所有計(jì)算工況下，有限元模型得到的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)與規(guī)范查詢得到的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)基本一致，誤差在-0.028～0.377之間，模擬結(jié)果可靠；對(duì)比工況A 和工況M、工況J 和工況N 可知，在鋼框架柱兩端與梁均為鉸接條件下，隨著節(jié)點(diǎn)剛度的增加，鋼框架柱的穩(wěn)定承載力也隨之增加；對(duì)比工況K和工況O、工況L 和工況P 可知，在鋼框架柱一端自由、一端固結(jié)條件下，節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)鋼框架柱的穩(wěn)定承載力影響不明顯。

表3 不同計(jì)算工況下鋼框架柱的穩(wěn)定承載力以及鋼框架柱失穩(wěn)計(jì)算長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

以山東省煙臺(tái)市某框架建筑工程為研究對(duì)象，運(yùn)用數(shù)值模擬手段建立拼接節(jié)點(diǎn)的三維計(jì)算模型，研究H 型鋼腹板厚度、軸壓比對(duì)鋼框架柱栓焊混合拼接節(jié)點(diǎn)的影響，并分析鋼桁建筑鋼框架柱栓混合拼接節(jié)點(diǎn)對(duì)柱的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能影響，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）隨著H 型鋼腹板厚度的增加，鋼框架柱栓焊混合拼接節(jié)點(diǎn)剛度呈線形增加的趨勢(shì)；隨著鋼框架柱軸壓比的增加，鋼框架柱栓焊混合拼接節(jié)點(diǎn)剛度呈線形減小的趨勢(shì)。

（2）所有計(jì)算工況下，有限元模型得到的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)與規(guī)范查詢得到的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)基本一致，誤差為-0.028～0.377，模擬結(jié)果可靠.

（3）在鋼框架柱兩端與梁均為鉸接條件下，隨著節(jié)點(diǎn)剛度的增加，鋼框架柱的穩(wěn)定承載力也隨之增加；在鋼框架柱一端自由、一端固結(jié)條件下，節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)鋼框架柱的穩(wěn)定承載力影響不明顯。