【中圖分類號】：TU391 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）04-45-06

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.04.011

The Influencing Factors of the Seismic Performance of End-plate Connections inSteel Structure

XIN Ningning'，WANG Guohui1，WANG Kehan2，LI Zhenyu2，GUO Huaxin1，MA Yan1，LIU Liangjun1，RONG Bin2 （1.ChinaOth MetalurgcalGoupCorporationLimited，Shijiazuang19o，China;.ScholofchitetureadCivilEngiing， Tianjin University，Tianjin30o072，China）

【Abstract】：To thorough investigate the seismic performance ofend-plate connections and their influencing factors，nine sets of finiteelement models were established and validated against experimental results.The study examined the effects of parameters induding axial compresson ratio，column web thickness，beam flange thickness， and end-plate thickness on the seismic performance of end-plate connections.The results indicated that endplate connections possess excellent seismic performance，with both ductility coefficient and energy dissipation coefficient meting the speafied requirements.Increasing the column web thickness was dentified as the most effective way to enhance theseismic performance of the connections，significantly enhancing their stifness， ultimate bearing capacity，and energy dissipation ability.Appropriately increasing the thicknesses of the beam flange and the end plate also improved theseismic performance.However，an increase in the axial compression ratio resulted areduction in ductility；therefore，it is essential to control theaxialcompression ratio below specified limits during design.

【Key words】： prefabricated stel structure;end-plate connections;beam-column connections;seismic performance

裝配式鋼結(jié)構(gòu)因輕量化、便捷施工、低污染、可回收利用、寬敞活動空間、強適應(yīng)性和良好抗震性等綜合優(yōu)勢，成為綠色建筑形式之一。端板連接節(jié)點是由H型鋼梁柱通過端板和高強螺栓連接而成的節(jié)點，屬于栓焊混合節(jié)點的一種，隨著端板連接節(jié)點研究深入，發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)良的剛度和抗震性能2-3]。實際工程中，端板連接節(jié)點全部焊接工作均在工廠完成，可以有效保證焊接質(zhì)量；現(xiàn)場安裝時只需螺栓連接，避免了現(xiàn)場焊接，施工方便快捷4

在鋼框架結(jié)構(gòu)體系中，梁柱節(jié)點是鋼結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其受力性能直接影響建筑整體的安全性。針對我國發(fā)生的地震進行震后分析，梁柱連接節(jié)點處的抗震性能并未完全發(fā)揮，“強節(jié)點，弱構(gòu)件”的設(shè)計理念沒有得到完全實現(xiàn)；因此，更加深度的分析端板連接節(jié)點的抗震性能，研究不同參數(shù)對節(jié)點性能的影響對于工程應(yīng)用具有重大意義。

本文采用ABAQUS通用有限元軟件對端板連接剛性節(jié)點建模，通過參數(shù)化分析研究不同參數(shù)對端板連接節(jié)點抗震性能的影響。

1模型的建立

1.1試件模型選取

試件為H型鋼十字形梁柱，連接節(jié)點H型鋼梁柱的長度根據(jù)框架在地震荷載作用下的反彎點位置確定。見圖1。

圖2試件

1.2材料力學性能

圖1端板連接節(jié)點試件結(jié)構(gòu)力學模型

H型鋼梁柱均采用Q355b鋼材，材料本構(gòu)采用理想彈塑性模型，屈服強度結(jié)合材料性質(zhì)進行取值。H型鋼梁柱和外伸端板采用彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型，分別取屈服強度和抗拉強度為！ 355Ω，470MPa 。螺栓采用10.9級摩擦型高強螺栓，材料參數(shù)按照規(guī)范的規(guī)定選取，分別取屈服強度和抗拉強度為900、1000MPa 。所有材料均為各向同性，泊松比取0.3，考慮了VonMises屈服準則和各向同性硬化規(guī)則。Q355b鋼材與高強螺栓詳細參數(shù)見下表1。

根據(jù)框架結(jié)構(gòu)中常見的跨度，試件H型鋼柱高 3 250mm ，柱截面 250mm×200mm×t_c×20mm ，梁截面選取 250mm×150mm×t_b×10mm ，根據(jù)規(guī)范對端板尺寸、孔距、邊距的要求設(shè)置端板的尺寸。根據(jù)螺栓最小排布原則，螺栓孔距不應(yīng) lt;3 倍螺栓直徑，螺栓邊距不應(yīng) lt;2 倍螺栓直徑。端板加勁肋厚度設(shè)計為 12mm 。螺栓直徑為 20m ，端板厚度為 d 。根據(jù)規(guī)范，螺栓孔徑需比螺栓直徑大2mm 。見圖2。

表1鋼材主要力學性能指標

1.3有限元建模

為考慮有限元模型與實際模型的真實吻合度，端板連接節(jié)點試件的各部件采用C3D8R單元。C3D8R單元是一種具有8個節(jié)點的三維實體單元，為線性縮減積分單元，每個節(jié)點具有3個自由度，能夠有效適應(yīng)網(wǎng)格的扭曲變形，并保持較高的計算精度。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式，這種方式所產(chǎn)生的單元較為規(guī)則，能夠避免畸形單元的出現(xiàn)，使得計算結(jié)果更加逼近實際情況，并有助于模型的收斂。

由于存在有限的相對滑移，型鋼梁與柱的相互作用采用基于罰函數(shù)彈性滑動接觸算法模擬相鄰表面的切向強度傳遞，法向行為采用“硬接觸”，庫侖摩擦系數(shù)為0.44。端板和鋼梁之間的焊縫連接使用\"tie”模擬。為準確模擬試驗真實情況，柱底施加固定約束，柱頂釋放軸線方向的自由度以施加軸向壓力，其余自由度全部約束。梁側(cè)面施加 X 向和繞 Z 軸轉(zhuǎn)動的約束，限制梁的側(cè)移和扭轉(zhuǎn)。見圖3。

圖3端板連接節(jié)點有限元模型

1.4模型加載制度

在有限元模型中建立3個解析步驟來模擬加載模式：第一步在高強螺栓上施加足夠的預(yù)緊力，預(yù)緊力的大小可根據(jù)規(guī)范確定；第二步在柱頂中心施加軸壓力；最后在梁端施加豎向位移。

梁端豎向位移加載制度依據(jù)規(guī)范1，低周反復(fù)荷載采用位移控制加載制度，根據(jù)通用屈服彎矩法，選取尺寸的節(jié)點試件屈服位移約在 20mm ，因此將屈服位移定為每級加載幅度。根據(jù)已有研究，推測選取的端板連接試件梁端位移大約為 120～150mm 會發(fā)生破壞。因此控制總循壞為7級，每一級循環(huán)2次。見圖4。

梁翼緣和腹板處出現(xiàn)了與試驗現(xiàn)象相同的屈曲和鼓屈現(xiàn)象。由于有限元端板加勁肋與梁端處設(shè)定為綁定連接，所以無法出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，但仍可以看到端板加勁肋與梁翼緣相接處出現(xiàn)了應(yīng)力集中。有限元和試驗現(xiàn)象基本保持一致。見圖5。

圖5有限元模型與已有試驗破壞模式對比

試件D的初始剛度與最大彎矩基本與有限元模型相同。有限元曲線相較于試驗件更加光滑飽滿，有限元模型滯回環(huán)面積略大于試驗件，推測可能是現(xiàn)場試驗最外排螺栓出現(xiàn)小幅度滑移導(dǎo)致。見圖6。

圖6與已有試驗彎矩-轉(zhuǎn)角曲線對比

圖4加載制度

1.5模型驗證

為了驗證有限元模型的有效性，將已有文獻中的端板連接節(jié)點試驗數(shù)據(jù)與本文建立的有限元模型進行對比。按照文獻[13]中試件D的尺寸建模，驗證時端板模型鋼材和高強螺栓材料屬性采用文獻[13]所給數(shù)據(jù)。

試件D的梁翼緣出現(xiàn)了嚴重屈曲，同時柱腹板區(qū)域有輕微鼓曲現(xiàn)象，端板加勁肋處的焊縫輕微撕裂。

總體來看，有限元模型與試驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)基本一致，可用于后續(xù)端板連接節(jié)點抗震影響因素的參數(shù)化分析。

2參數(shù)化建模

以KN1為基準件，考慮軸壓比、柱腹板厚度、梁翼緣厚度、端板厚度4個參數(shù)對端板連接節(jié)點抗震性能影響。除變量外，其余參數(shù)與圖2相同，建立了9個模型。見表2。

表2參數(shù)化分析構(gòu)件尺寸

續(xù)表2

延性越大，結(jié)構(gòu)的塑性變形能力和耗散地震能量的能力就越強。采用轉(zhuǎn)角延性系數(shù) ??μ_θ 來評估節(jié)點試件的延性性能，即極限轉(zhuǎn)角與屈服轉(zhuǎn)角之比，由式（2）計算。

骨架曲線是由荷載-位移曲線中各級加載首次循環(huán)的峰值點連接而成的包絡(luò)線，能夠反應(yīng)節(jié)點的強度、剛度以及變形特性。本文僅通過對骨架曲線分析計算研究端板節(jié)點抗震影響因素。由于骨架曲線的對稱性，計算結(jié)果均取正方向加載平均值。見表3。

3試驗結(jié)果

3.1抗震性能

采用通用屈服彎矩法4確定節(jié)點試件的屈服彎矩和轉(zhuǎn)角。破壞點定義為試件達到峰值荷載的 85% 對應(yīng)的坐標。見圖7。

表3有限元計算結(jié)果

圖7通用屈服彎矩法

耗能能力是評估構(gòu)件抗震性能的關(guān)鍵指標之一。節(jié)點試件循環(huán)所耗散的能量可以通過彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線所包圍的面積來展示，根據(jù)規(guī)范推薦的能量耗散系數(shù) E₁ 來評價節(jié)點的耗能能力，通過式（1）計算。見圖8。

節(jié)點試件延性系數(shù)均 gt;3.0 ，能量耗散系數(shù)均 gt; 2.0，且極限轉(zhuǎn)角均超過 0.06rad 。端板連接節(jié)點試件具有良好的抗震性能[14]。

3.2軸壓比的影響

不同軸壓比對節(jié)點最終破壞形態(tài)沒有較大影響，試件最終均出現(xiàn)梁端塑性鉸。軸壓比的增大對屈服轉(zhuǎn)角、彎矩和極限彎矩、轉(zhuǎn)角都沒有較大的影響，相差在 2% 以內(nèi)，但軸壓比為0.4時，節(jié)點的延性有降低的趨勢。因此在設(shè)計端板連接節(jié)點時應(yīng)注意控制軸壓比不易過大以保證結(jié)構(gòu)的延性。見圖9。

圖8能量耗散系數(shù)

a）KN1

構(gòu)件延性也是評估抗震性能的重要指標之一。

圖9不同軸壓比狀態(tài)下的破壞形態(tài)

3.3柱腹板厚度的影響

柱腹板厚度不斷增加，節(jié)點核心區(qū)變形減小，而梁翼緣開始發(fā)生更嚴重的屈曲。增加柱腹板對于節(jié)點彈性階段的剛度、極限彎矩以及耗能能力都有顯著的提升，分別提升了 16.6%.14.3% 和 21.9% 。但厚度達到 16mm 時，節(jié)點延性開始出現(xiàn)輕微降低趨勢。因此在設(shè)計鋼框架端板連接節(jié)點時，延性儲備充足的情況下，增大柱腹板厚度是提升抗震性能最有效的方式。見圖10。

圖10不同柱腹板厚度節(jié)點核心區(qū)破壞對比

3.4梁翼緣厚度的影響

梁翼緣厚度較薄時，節(jié)點加勁肋與梁翼緣相接處出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，翼緣屈曲幅度較大，而KB2在翼緣厚度增加后，屈曲幅度明顯減小。提升梁翼緣厚度，節(jié)點的極限承載力和耗能能力都有所提高，分別提升了 10.1% 和 16.3% ，但延性提高幅度不大，僅有2.9% 。因此適當增大梁翼緣的厚度也能夠適當提高端板連接節(jié)點的抗震性能。見圖11。

圖11不同梁翼緣厚度破壞對比

3.5端板厚度的影響

端板厚度增加，端板受拉區(qū)域處的應(yīng)力普遍較大，這是因為當端板厚度與柱翼緣厚度逐漸增大時，較厚的端板彎曲變形較小。端板厚度從 12mm 增加到 16mm ，屈服彎矩顯著提高，增加了 14.1% 。耗能能力和延性也具有一定的提高，同時最大彎矩提高不大。因為端板抗彎能力的提升無法延緩梁端塑性鉸的形成，因此對極限荷載貢獻不大，但是能較好的提升節(jié)點彈性階段的剛度。見圖12。

4結(jié)論

1）端板連接節(jié)點具有良好的抗震性能，延性系數(shù)和能量耗散系數(shù)均滿足要求，可在裝配式梁柱連接節(jié)點中廣泛應(yīng)用。

2）增大柱腹板厚度是提升節(jié)點抗震性能最有效的方式，可以顯著提高節(jié)點的剛度、極限承載力和耗能能力。

3）適當增大梁翼緣和端板厚度對延性影響不大，但能夠提高節(jié)點其他抗震性能指標。

4）軸壓比對節(jié)點力學性能影響不大，但過大的軸壓比會降低節(jié)點延性；因此在設(shè)計時應(yīng)注意控制軸壓比，不宜過大。

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