方钢管柱-H形钢梁铸钢连接节点力学性能分析

韩庆华，刘铭劼　，芦 燕, 2

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2. 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072)



方钢管柱-H形钢梁铸钢连接节点力学性能分析

韩庆华1, 2，刘铭劼1，芦 燕1, 2

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2. 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072)

摘 要：为解决目前节点工艺中常见的构造复杂等问题，采用预制铸钢连接件代替方钢管柱-H形钢梁梁柱节点中的加强构件，形成梁柱铸钢连接节点.该简化节点具有施工方便、焊接热影响小等优点.基于变形协调原理提出方钢管柱-H形钢梁铸钢连接节点承载力理论，分析可知，梁柱铸钢连接节点所受荷载主要由铸钢连接件环板承担，钢管柱所承担荷载可忽略不计.基于拟静力数值分析可知，方钢管柱-H形钢梁铸钢连接节点往复加载后，节点域滞回曲线饱满，节点进入塑性后变形能力较强，并且有较好的延性和屈服后强度，有利于提高结构抗震性能，适用于地震区的框架结构.

关键词：方钢管柱；H形钢梁；铸钢节点；力学性能

网络出版时间：2015-03-27. 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20150327.1701.001.html.

方钢管柱与H形钢梁组成的框架结构在多高层钢结构中有广泛应用.相比H形截面柱，方钢管柱截面任一方向力学性能相同，更符合框架柱的力学特征，而且便于内填混凝土形成钢-混凝土组合结构，提高结构性能.对于方钢管柱-H形钢梁框架结构，梁柱节点工艺是设计和施工中较复杂的部分，而且节点性能对框架结构性能有决定性作用.

除了少数轻型结构采用无加劲方钢管柱-H形钢梁结构[1]外，目前应用于方钢管柱-H形钢梁结构中的绝大多数梁柱节点都在方钢管柱上对应H形钢梁翼缘的位置设加强构件，通过加强构件传递梁端荷载.目前国内外规范按加强构件的形状和布置方式主要将节点分为内隔板式、外环板式以及隔板贯通式等形式[2-4].我国现行《钢管结构技术规程》(CECS 280：2010)规定钢管柱-H型梁节点处宜采用内隔板式、外环板式或隔板贯通式，也可采用非加劲的直接焊接构造.我国现行《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS 159：2004)和日本建筑学会《钢管混凝土结构设计标准》均规定了内隔板式、外环板式及隔板贯通式等节点形式.

内隔板式节点构造简单、节省材料.但由于焊接困难等原因，这种节点仅适用于外径较大的方钢管柱，在方钢管柱外径较小的低层、多层住宅建筑中难以应用；外环板式节点不受方钢管柱外径的限制，但需要足够大的水平环板以保证节点的强度，用钢量比内隔板大，而且尺寸较大的外环板会影响室内空间的利用，制约外环板式节点的应用；隔板贯通式节点需将方钢管柱在节点处断开，增加了节点区焊缝的长度，但与内隔板节点相比，解决了管柱边长较小时隔板焊接困难的问题，与外环板节点相比，解决了因外环板太大而占用室内空间的问题，是一种应用范围较广的节点形式.目前日本多高层民用钢结构工程中广泛采用隔板贯通式节点的方钢管柱-H形钢梁框架.

现有的节点形式都是由板材或型钢切割成若干部分，在钢管柱上将各部分焊接成加强构件，再将H形钢梁通过焊接或螺栓连接的形式连接于加强构件上形成节点.这些节点普遍存在着焊缝过于接近甚至于交汇的情况，会在钢管柱节点域的较小范围内产生较大的焊接热影响区，影响节点性能.钢管切割、加工坡口和焊接的工艺水平要求很高，加工过程复杂，难度大，工时长，成本高.本文以一种新型方钢管柱-H形钢梁铸钢连接节点为研究对象，对其传力路径进行分析，提出承载力理论和公式，并对承载力公式进行了数值分析验证；进行了梁柱铸钢连接节点滞回性能数值分析研究，通过与试验结果进行对比，证明了方钢管柱-H形钢梁铸钢连接节点具有良好的力学性能和抗震性能.

1　梁柱铸钢连接节点的提出

为解决现有梁柱节点连接的若干问题，日本工程界提出了采用铸钢连接件的方钢管柱-H形钢梁铸钢连接节点工艺[5].该工艺采用铸钢连接件(见图1)作为梁柱节点中的加强构件.铸钢连接件主要由与方钢管柱连接的环板和与梁连接的翼缘组成，其中连接件与梁的连接分焊接连接和螺栓连接两种(见图2)；连接件与方钢管柱的连接采用不焊透焊缝焊接连接.不焊透焊缝沿预先在连接件上加工出的焊槽施焊，保证焊接连接有效，便于焊接施工.为避免在方钢管角部进行焊接对方钢管产生应力集中以及热影响并简化焊接工艺，连接件上下两面的预制焊槽各分为4道，对应方钢管的4个面.焊接时将连接件与方钢管4个面分别进行焊接，方钢管角部不进行焊接(见图3)[5].

图1　方钢管柱-H形钢梁节点铸钢连接件Fig.1 Cast steel stiffener rings for H-shaped beam-tosquare tube column joint

图2　梁柱铸钢连接节点形式Fig.2 Forms of cast steel joint for beam-to-column connection

图3　铸钢连接件与方钢管焊接Fig.3 Weld between cast steel stiffener ring and square tube column

该节点中铸钢连接件使用的铸钢材料通常为SN490B，性能接近于Q345钢材，材料上满足了节点强度的要求.连接件内径、环板宽度和高度按方钢管柱外径确定；与梁相连的翼缘宽度和厚度按H形钢梁翼缘宽度及厚度确定，确保连接件翼缘与梁翼缘对接焊接有效.

这种梁柱铸钢连接节点具有以下3个优点.

(1)加工过程简便.

对于方钢管柱的处理，传统节点形式经常需要将方钢管柱切断，安装加强构件后再将方钢管柱通过对接焊接还原.对钢管切割、坡口加工和对接焊接的工艺水平要求很高，加工难度大，精度难以满足设计要求.而能够避免切割方钢管柱的一些节点形式(如外环板式、外肋环板式等)所采用的加强构件都是由型钢切割成若干部分，再在方钢管柱周围焊接形成的.这其中涉及很多的型钢切割和焊接工艺，加工过程复杂，施焊困难.而方钢管柱-H形钢梁铸钢连接节点工艺不需要对方钢管柱进行处理，也不需要型钢切割以及拼接加工，施工工艺简便；铸钢连接件由铸造工厂生产，和焊接加工相比便于控制精度；而且由于预制焊槽的存在，连接件和方钢管的焊缝长度减少，焊接连接简便，易于施焊.

(2)焊接热影响小.

传统节点的焊接连接多采用完全熔透的对接焊缝，而且焊缝分布密集，会在节点域钢材中形成较大的热影响区.以隔板贯通式节点为例对比焊接细节，见图4和图5，明显可见连接件的应用有效分散了节点域焊缝分布，降低了焊接施工难度并减少了焊接热影响区的面积，并且连接件在方钢管柱角部不进行焊接，避免了在方钢管角部薄弱区产生应力集中，提高了节点力学性能.

图4　传统节点焊接细节Fig.4 Welding details of traditional joints

(3)抗震性能优越.

按钢框架梁柱节点加工过程中是否需要将钢管柱在梁翼缘处切断为标准，可将节点分为不需要在梁翼缘处切断钢管柱的柱贯通型节点和需要在梁翼缘处切断钢管柱的柱分割型节点两类.总结钢框架梁柱节点在近年来国内外许多破坏性地震中的震害表现可知，柱贯通型节点的抗震性能明显优于柱分割型节点.大多数柱贯通型节点在强震作用下都能表现出较好的屈曲后强度、变形性能和耗能能力，较少发生因节点失效而导致的结构倒塌等严重破坏.我国现行《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)规定，梁与柱的连接宜采用柱贯通型节点[6].梁柱铸钢连接节点不需要在梁翼缘处切断方钢管柱，属于柱贯通型节点，与隔板贯通式节点等柱分割型节点相比具有更优越的抗震性能.

图5　梁柱铸钢连接节点焊接细节Fig.5 Welding details of cast steel joints for beam-tocolumn connection

(4)成本降低和工时缩短.

虽然铸钢连接件和其他节点形式所采用的加强构件相比需要耗费较高的材料费用，但采用铸钢连接件的节点可以大幅度地简化加工工艺，降低制造成本和加工工时；不需要焊接机器人等大型设备，减少前期投入；单件加工工时的缩短可以使工程整体工期缩短，总体上进一步降低工程成本.

2　梁柱铸钢连接节点力学性能

2.1梁柱节点承载力理论

梁柱节点的力学性能主要体现在抗弯强度、转动刚度和变形能力3个方面，其中抗弯强度即承载力是最重要的力学性能.梁柱节点在梁传来的荷载作用下，受弯矩和剪力共同作用.通常认为剪力由对应梁腹板处所设剪力板承受，弯矩转化为作用于节点域对应梁翼缘位置的集中力作用，由加强构件承受.铸钢连接件梁柱节点在弯矩作用下由连接件受拉抵抗弯矩，具体传力路径见图6和图7.其中，M为节点所承受的弯矩；F为铸钢连接件所承受的拉力；Fr为铸钢连接件侧面板所承受的拉力；Fc为方钢管柱正面板承受的拉力.

图6　节点传力路径Fig.6 Force transfer path of joint

图7　铸钢连接件传力路径Fig.7 Force transfer path of cast steel stiffener ring

现有承载力理论假定节点达到屈服状态时，铸钢连接件侧面环板抗拉承载力和方钢管柱正面板同时达到屈服应力，这与实际中两者的荷载分配原则是不相符的.实际上，铸钢连接件侧面环板和方钢管柱正面板同时受到铸钢连接件正面环板的约束作用，两者在荷载作用下产生相同的变形，两者之间按变形协调原则进行荷载分配.

2.1.2 基于变形协调原则的承载力理论

基于变形协调原则，按铸钢连接件侧面环板受拉刚度和方钢管柱正面板受拉刚度之比分配荷载.铸钢连接件侧面环板受拉力荷载作用下的变形为

2.1.1 现有承载力理论

基于上述传力路径，文献[7]认为铸钢连接件侧面环板和方钢管柱正面板共同承受作用于连接件上的拉力，见图7.因此节点承载力由铸钢连接件侧面环板抗拉承载力和方钢管柱正面板抗拉承载力共同控制，提出承载力公式为

式中：Pr为铸钢连接件侧面环板抗拉承载力；Pc为方钢管柱正面板抗拉承载力；为安全系数，取＝0.85；为共同工作系数，取＝0.6[7].

铸钢连接件侧面环板抗拉承载力Pr为

式中：tr为铸钢连接件环板截面宽度；hr为铸钢连接件环板截面高度；fyr为铸钢连接件的屈服强度.方钢管柱正面板(翼缘)抗拉承载力由屈服线理论给出[8]，假定的屈服线分布见图8.

方钢管柱壁的内力虚功为

式中：X为屈服线范围，由Pc取极小值确定，即X应满足Pc/X＝0.当PcX＝0时有，此时Pc为极小值，即为方钢管柱翼缘抗拉承载力；Mp为方钢管柱壁单位长度的屈服弯矩为方钢管壁厚，fyc为方钢管的屈服强度；br为加强构件与方钢管柱壁连接焊缝长度；bc为方钢管柱边长.

图8　方钢管柱正面板屈服机制Fig.8 Yield mechanism of square tube column flange

由式(5)可知，铸钢连接件侧面环板受拉力荷载作用下刚度Kr为

实际结构中，方钢管柱正面板受焊槽传来的拉力荷载作用，属于跨中受局部均布线荷载作用的四边固支板，其变形难以求解.为求解方钢管柱正面板受拉变形，将方钢管柱正面板简化为跨中受集中力作用的四边固支板，其变形D2为

由式(7)可知，方钢管柱正面板受拉力荷载作用下刚度Kc为

荷载Fr作用下铸钢连接件侧面环板截面应力sr为

跨中作用集中力Fc时，四边固支板的固支边中点分布弯矩My和截面应力sc为

取铸钢连接件环板高90,mm、宽40,mm，方钢管外径400,mm、壁厚tc为10～16,mm，计算梁柱铸钢连接节点中铸钢连接件侧面环板和方钢管柱正面板的荷载分配比例以及截面应力比例，见表1.

表1　荷载分配比例及应力比例Tab.1 Load distribution proportion and stress proportion

由表1可见，方钢管柱正面板所受荷载Fc远小于铸钢连接件侧面环板所受荷载Fr，方钢管柱正面板截面应力c小于铸钢连接件侧面环板截面应力r(方钢管柱钢材BCR295屈服强度与铸钢连接件钢材SN490B屈服强度之比为0.91).因此，可知梁柱铸钢连接节点在外荷载作用下由铸钢连接件侧面板承担绝大部分荷载，且铸钢连接件截面应力起控制作用，可认为节点承载力由铸钢连接件侧面环板承载力决定.基于此，笔者提出了方钢管柱-H形钢梁铸钢连接节点承载力公式为

2.2梁柱节点承载力数值分析

2.2.1 数值分析模型

本文采用通用有限元软件ANSYS11.0对方钢管柱-H形钢梁铸钢连接节点承载力进行数值分析研究.按文献[7]试验的试件尺寸建立方钢管柱-H形钢梁铸钢连接节点有限元模型，见图9.试验试件选用方钢管柱□400,mm×16,mm，节点上下柱各长1,800,mm；H形钢梁选用H488,mm×300,mm× 11,mm×18,mm，节点两侧梁各长2,450,mm.对铸钢连接件、连接件与方钢管之间的焊缝、方钢管、H形钢梁分别建模；将焊缝和方钢管柱、连接件和焊缝以及连接件和梁分别粘接(GLUE)，以模拟梁柱节点中连接件和梁、连接件和柱分别焊接的连接工艺.有限元模型选用SOLID95单元模拟连接件、焊缝、方钢管及钢梁，材料本构采用应用von-Mises屈服准则的非线性三线随动强化模型(MKIN)以体现钢材的包辛格(Bauschinger)效应，本构模型如图10所示.方钢管柱材料按BCR295选取、H形钢梁材料按SM490A选取、铸钢连接件材料按SN490B选取，焊缝材料按方钢管柱材料选取.为保证结构重要部位计算结果准确并减少计算量，对节点试件不同部位采用不同的单元尺寸和形状：梁、柱外侧部分网格划分较疏，单元为六面体，尺寸较大，减少计算量；连接件、焊缝以及接近节点域的梁和柱网格划分较密，单元为四面体，尺寸较小，确保重要部位计算结果精确.

图9　梁柱节点有限元模型Fig.9 Finite element model of beam-column joint

图10　钢材非线性本构模型Fig.10 Nonlinear analytical model for constitutive relationship of steel

对柱上下端中线处结点的平动自由度加以约束，以模拟试验装置中的铰接支座.在两侧梁端中线处结点施加等值反向的竖向集中力荷载以对梁柱节点施加弯矩作用，对梁端截面结点的竖向位移进行耦合以避免加载结点附近出现应力集中导致模型提前破坏.

2.2.2 承载力数值分析

为验证式(13)的可靠性，本文选取环板规格不等(40,mm×90,mm、40,mm×70,mm、30,mm×80,mm)的铸钢连接件以及外径400,mm、壁厚为16,mm、 14,mm、12,mm、10,mm的方钢管柱进行组合，建立有限元模型，在梁端施加等值反向单调荷载，进行数值分析，求解结构承载力.不同节点的承载力数值分析解变化趋势如图11所示.将式(1)以及式(13)所得解析解分别与数值分析解进行对比，列于表2中.

表2　节点承载力结果对比Tab.2 Comparison of bearing capacity results

由图11可知，采用铸钢连接件规格相同而方钢管规格不同的节点其承载力差别不大；但是采用方钢管规格相同而铸钢连接件规格不同的节点其承载力差别很大，可见节点承载力由铸钢连接件环板规格决定，由此可知前文所述基于变形协调原则的承载力理论可靠.由表2可知，式(13)计算所得承载力解析解接近数值分析解，误差明显小于式(1)计算所得解析解并且误差基本在5%,以内，证明基于变形协调原则的式(13)是可靠的，可以用来评定方钢管柱-H形钢梁铸钢连接节点承载力.

图11　节点承载力数值分析解Fig.11 Bearing capacity of joints by numerical analysis

2.3梁柱节点抗震性能数值分析

为研究方钢管柱-H形钢梁铸钢连接节点抗震性能，文献[7]进行了足尺试件拟静力加载试验研究，试验中拟静力加载步见图12[7].

图12　拟静力试验加载步Fig.12 Load step of the quasi-static test

2.3.1 滞回曲线

将文献[7]试验测得加载全过程弯矩-转角滞回曲线和本文通过数值分析研究所得弯矩-转角滞回曲线列于图13.由图13可见节点滞回曲线饱满，呈梭形，无捏拢，说明梁柱铸钢连接节点具有较好的变形能力和耗能能力.将文献[7]的解和本文解进行比较，可以发现结果较为接近，具有以下共同点：①在加载初期，当荷载增量很小时，试件处于弹性阶段，刚度几乎能完全恢复，且卸载时无残余变形；②试件达到屈服后，经过卸载再加载，其承载力有一定的提高，体现了材料的包辛格效应；当滞回环数增多时，承载力较之前有明显的降低，这主要是由于节点试件在低周反复荷载作用下破坏严重，刚度降低，承载力逐渐降低，试件发生破坏；③文献[7]试验测得的拟静力加载屈服荷载为944.7,kN·m、极限荷载为1,056,kN·m，本文数值分析所得的拟静力加载屈服荷载为983.5,kN·m、极限荷载为1,163,kN·m，数值分析结果略大于试验的结果.这主要是由于试验中试件不可避免地受钢材性能缺陷、加工误差以及焊接残余应力等因素的不利影响，这些影响会导致其承载力的降低，而有限元模型中采用完全理想化的材料，并且各部件之间的接触是采用完全理想化的刚性接触来定义的，导致其结构承载力偏高，其中屈服承载力误差约为4%,，极限承载力误差约为10%,.

图13　滞回曲线Fig.13 Hysteresis curve

2.3.2 骨架曲线

图14为试验研究与数值分析得到的节点弯矩-转角骨架曲线，呈S形，说明加载过程可分为3个阶段：①弹性阶段，转角随着荷载的增加而线性增加，节点刚度保持不变，数值分析的刚度要大于试验所测得的刚度；②强化阶段，数值分析与试验测得的骨架曲线斜率都在逐渐降低，即节点的刚度在减小，且试验结果中节点刚度减小得比数值分析结果要迅速；③破坏阶段，数值分析的结果与试验几乎同时趋于平缓，达到峰值后节点破坏.

图14　骨架曲线Fig.14 Skeleton curve

2.3.3 延性及耗能能力

结构的延性是指结构、构件或构件的某个截面从屈服开始到达最大承载能力或到达以后承载能力还没有明显下降期间的变形能力.具有较好延性的结构的构件或构件的某个截面的后期变形能力大，在达到屈服或最大承载能力状态后仍能吸收一定的能量，避免脆性破坏的发生.通常取位移延性系数作为结构延性的度量指标.位移延性系数为

结构耗能能力是指结构或构件在地震作用下变形吸收能量的能力，是用来衡量结构抗震性能的重要指标，通常用能量耗散系数Ee来衡量.

图15　能量耗散系数示意Fig.15 Schematic of energy dissipation coefficient

如图15所示，能量耗散系数可以用构件在一个滞回循环内吸收的总能量与弹性能的比值来表示，即

式中：SABCD为构件在一个滞回循环内吸收的能量；SOEB和SOFD为构件在最大位移处的弹性能.

文献[7]试验与本文数值分析所得的位移延性系数μ和能量耗散系数Ee见表3.由表3可知节点进入塑性后变形能力较强，具有很好的滞回耗能能力，说明方钢管柱-H形钢梁铸钢连接节点具有优秀的抗震性能.

表3　位移延性系数及能量耗散系数Tab.3 Displacement ductility coefficient and energy dissipation coefficient

3　结 论

方钢管柱-H形钢梁铸钢连接节点工艺采用预制铸钢连接件代替传统节点中的隔板或加劲板，可以解决框架结构H形钢梁和方钢管柱连接现有节点做法的若干不便，简化节点构造和施工工艺，减少焊接热影响，降低工程成本.本文分析了节点荷载传递路径和荷载分配规律，提出了基于变形协调原则的承载力理论；采用ANSYS软件对梁柱节点进行了单调荷载和往复荷载作用下的数值分析，将数值分析结果与试验结果进行了对比，得出以下结论：

(1) 基于变形协调原则提出方钢管柱-H形钢梁铸钢连接节点承载力理论.分析可知梁柱铸钢连接节点所受荷载主要由铸钢连接件环板承担，钢管柱所承担荷载可忽略不计.因此本文以铸钢连接件环板承载力作为梁柱铸钢连接节点承载力；

(2) 由拟静力数值分析可知，方钢管柱-H形钢梁铸钢连接节点往复加载后，节点域滞回曲线饱满，节点进入塑性后变形能力较强，具有很好的滞回耗能能力；

(3) 方钢管柱-H形钢梁铸钢连接节点具有很好的转动刚度、抗弯强度和变形能力，并且有较好的延性和屈服后强度，有利于提高结构抗震性能，适用于地震区的框架结构.

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(责任编辑：樊素英)

Mechanical Behavior Analysis of Cast Steel Joints Connecting H-Shaped Beam and Square Tube Column

Han Qinghua1, 2，Liu Mingjie1，Lu Yan1, 2
(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Key Laboratory of Coast Civil Structure and Safety of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Abstract：In order to solve the problems of the H-shaped steel beam-to-square steel tube column joint such as complex construction，the beam-column joint is improved by using cast steel stiffener rings to replace the stiffeners in joints and form the cast steel joints for beam-to-column connection. The simplified joints provide a convenient method for construction and reduce the welding heat affect. The bearing capacity theory is proposed based on the deformation compatibility condition for cast steel joints connecting H-shaped beam and square tube column. It is known by analyzing that the load of the joints is mainly borne by the cast steel stiffener rings，and only negligible load is borne by column. Based on the pseudo-static numerical analysis，the hysteresis curve of the cast steel joints for beam-tocolumn connection under reciprocating loading is plump. The joints have strong deformation ability after entering the plastic state as well as good ductility and strength after yielding，which is conducive to the improvement the seismic performance of the structure. The joints are applicable to the frame structure in earthquake regions.

Keywords：square tube column；H-shaped beam；cast steel joint；mechanical behavior

通讯作者：芦 燕，yanlu86@tju.edu.cn.

作者简介：韩庆华（1971— ），男，博士，教授，qhhan@tju.edu.cn.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51178307，51308386)；天津市城乡建设和交通委员会建设科技项目(2013-35).

收稿日期：2014-05-28；修回日期：2014-07-02.

DOI:10.11784/tdxbz201405074

中图分类号：TU392.1

文献标志码：A

文章编号：0493-2137(2015)06-0502-08