设置垫板的钢结构梁柱T形件连接节点滞回性能的有限元分析

摘 要：在设置垫板的新型钢结构梁-柱T形件连接节点抗震性能试验的基础上，应用有限元软件ABAQUS对此节点进行滞回性能分析。数值模拟与试验结果分析表明：两者吻合较好。利用有限元模型研究几何参数和物理参数对此节点滞回性能的影响，分析结果表明：下部T形件翼缘厚度、梁高和下部T形件翼缘上螺栓的竖向间距对节点的滞回性能影响较大，垫板宽度只影响此新型节点的受压性能。

关键词：梁柱连接;T形件连接节点;滞回性能;有限元分析;垫板

中图分类号：TU391

文献标识码：B

文章编号"1000-5269（2018）04-0090-06

梁-柱连接节点是设计的关键，其性能直接影响结构的强度、刚度和稳定等整体性能。典型的钢梁-柱连接是采用梁翼缘与柱对接焊、腹板与柱子之间采用剪切板进行螺栓连接。然而，地震中很多采用此类节点的钢结构建筑在节点部位出现了严重的脆性破坏[1-4]。为此研究者对传统梁柱连接方式进行改进，主要是将塑性铰位置外移到与柱面一定距离的梁上，远离梁端头[5-7]，防止因为节点变形能力不足造成的脆性破坏，一般通过加强梁端部[5-6，8-9]或削弱梁端部[7，10-11]实现。但这类节点的设计思想是由框架梁提供塑性变形，实际工程此类节点若发生破坏，修复将相对困难。

为便于梁柱连接灾后修复，文献[11]提出一种新型钢结构梁柱连接节点形式，特点是将下T形件作为耗能元件增大其耗能能力，其构造如图1所示，在下T形件翼缘设置两块钢垫板与柱翼缘连接，垫板之间预留一定空间，使下 T形件翼缘能在拉压荷载下发生弯矩屈服;梁上部翼缘作为转动中心不发生较大的位移从而保护其不发生破坏。耗能T形件位于梁翼缘下部，破坏后方便更替。

往复加载试验研究表明，设置垫板的梁柱T形件连接节点滞回性能良好，节点试件破坏以下T形件翼缘根部断裂为标志，梁、柱保持在弹性阶段，梁上翼缘T形件连接没有出现明显的塑性变形，能够达到主体结构不受损坏的目的。

本文对此新型梁柱节点的受力性能进行有限元数值模拟，并结合试验，验证有限元模型的有效性和可靠性。在此基础上，讨论各组成要素参数改变对设置垫板的T形件连接节点的滞回性能影响。

1"有限元模型

1.1"BASE试件

BASE试件材料的选用与文献[12]中JD-1试件相同。梁截面尺寸为HN300 mm×150 mm×6.5 mm×9 mm;柱截面尺寸为HM340 mm×250 mm×9 mm×14 mm，梁、柱和T形件均采用Q235热轧H型钢。垫板厚度20 mm，采用Q345钢。螺栓等级采用10.9级高强摩擦螺栓，梁上下翼缘和柱子之间的连接螺栓直径为20 mm，柱翼缘焊接的连接板和梁腹板之间的连接螺栓为16 mm。节点试件中垫板，上、下部T形件构造详图如图2所示。

1.2"单元类型和材料特性

有限元模型中的板件和高强螺栓均采用三维实体8节点减缩积分单元（C3D8R）模拟，单元划分采用结构网格划分技术，厚度方向划分四个单元，对节点处关键部位进行网格细化，节点试件有限元模型如图3所示。模型中，材性根据试验确定，钢材、高强螺栓本构选用双折线强化弹塑性应力-应变曲线，材料遵循Von Mises屈服准则、相应塑性流动法则和随动强化准则，泊松比取0.3。

1.3"接触模型

模型中考虑了T形件与梁柱，垫板与T形件，垫板与柱，剪切板与梁，螺栓与T形件、梁柱，螺栓杆与栓孔之间的接触，所有接触均采用面-面接触，选用有限滑移算法。接触面切线方向采用库伦摩擦，相应摩擦系数根据相应规范[13]取0.3，由于考虑的是摩擦型高强螺栓连接，螺栓杆和螺栓孔壁之间的摩擦系数为0;法向方向均采用硬接触。

1.4"边界条件及加载制度

模型的边界条件和试验一致，柱上下端按照铰接处理，钢梁梁端施加限制平面外位移的约束作用，防止加载过程中梁的侧向扭转。

加载制度：为便于和试验结果进行比较，采用与试验加载制度相同，通过施加位移荷载的方式来实现，耦合钢梁端面所有节点在X， Y， Z三个方向的自由度，施加位移荷载于耦合面的参考点上。

共设置四个荷载步，让载荷和接触关系的变化逐步出现在不同的分析步，以便减少求解时的迭代次数，缩短计算时间：

（1）对螺栓施加很小的预紧力，让模型中各个接触关系平稳地建立起来;

（2）将螺栓预紧力增加到与螺栓型号一致;

（3）将螺栓上的预紧力改为固定螺栓的长度并保持到下一荷载步;

（4）对梁端耦合面参考点施加往复位移荷载。

2"试件受力性能分析

本文以荷载向上为正，向下为负。有限元计算结果和试验结果的对比如图4所示，典型变形形态对比如图5所示。

图4（a）滞回环在正向位移归零时，有限元计算的残余变形比试验结果略大，源于试验过程中，柱底端的滑移减小了一部分的变形，模拟时板件之间的滑移和试验有所差别，产生了一些误差。图4（b）骨架曲线表明，在正负两个方向的前期加载刚度和试验吻合较好。总体来说，数值结果和试验结果吻合较好，可以采用此计算模型进行节点力学性能分析。

3"参数变化对节点性能的影响

以BASE试件为参照，改变节点各组成参数，研究参数变化对设置垫板的T形件梁柱连接节点力学性能的影响。作者共设计16个系列共40个试件与BASE试件对比，主要探讨如下参数的影响：上部T形件翼缘厚度（TTFT试件）、下部T形件翼缘厚度（TTFB试件）、T形件腹板厚度（TTW试件）、钢梁腹板厚度（TBW试件）、钢梁翼缘厚度（TBF试件）、钢梁截面高度（BH试件）、钢柱腹板厚度（TCW试件）、钢柱翼缘厚度（TCF试件）、钢柱截面高度（CH试件）、垫板截面宽度（BIP试件）、无加劲肋（ST试件）、摩擦系数（FC试件）、螺栓直径（BD试件）、螺栓预紧力（BP试件）、T形件腹板螺栓排列方式（S1试件）、T形件翼缘螺栓排列方式（S2试件）。限于篇幅，本文仅列出4个对设置垫板的梁-柱T形件连接节点力学性能影响较大的参数进行分析。

3.1"TTFB试件

其他参数不变，研究下部T形件翼缘厚度为7 mm，9 mm，13 mm三种情况时对此新型节点力学性能的影响，其滞回曲线见图6～图8，相关计算结果见表1。

由表1可知，TTFB2试件相比TTFB1试件，节点正负初始转动刚度分别提高20.7%和21.3%，正负极限承载力分别增加30%和32.3%;BASE试件相比TTFB1试件，节点正负初始刚度分别提高37.9%和37%，正负极限承载力分别增加63.7%和69.5%;TTFB3试件相比TTFB1试件，正负初始转动刚度分别提高51.1%和47.7%，正负承载力分别增加95.1%和91.5%。每增加2 mm，正负初始转动刚度提高幅度约15%，正负极限承载力提高约30%。说明下部T形件翼缘厚度对设置垫板的梁-柱T形件连接节点的初始转动刚度和极限承载力影响很大，节点的破坏形式均是下部T形件翼缘的屈曲破坏，节点的承载力由下部T形件翼缘控制。当下部T形件翼缘厚度较小时，节点刚度和承载力很小，下部T形件翼缘厚度不宜过薄。

3.2"BH试件

其他参数不变，研究钢梁截面高度为350 mm，400 mm两种情况时对此新型节点力学性能的影响。试件的滞回曲线见图9～图10，相关计算结果见表2。

BH系列试件在循环荷载作用下的M-θ滞回曲线和BASE试件类似，节点各构件应力分布规律与BASE试件基本相同，试件的破坏形式为下部T形件翼缘屈曲破坏。由表2可知，相比BASE试件，BH1试件的正负初始转动刚度分别增加29.5%和30.6%，正负极限承载力分别提高23.9%和16.6%;BH2试件的正负初始转动刚度分别增加60.8%和63.2%，正负极限承载力分别提高46.9%和35.5%。每增加50 mm的钢梁高度，节点正负初始转动刚度约提高30%，正负承载力约提高20%。

由此可知：随着钢梁截面高度增加，节点的初始转动刚度和承载力有显著提高。这主要是由于梁高增加，上下T形件承受的拉力和压力会变小，随之分配到节点各构件的作用力也会减小，相应地，连接节点的初始转动刚度和极限承载力有所提高。实际工程应用中，为提高节点的承载力，可以在符合相关建筑设计要求的基础上，适当提高梁截面高度。

3.3"BIP试件

垫板宽度的大小关系到设置垫板的T形件连接的受压性能，即节点在负弯矩下的力学性能，在其他参数和BASE试件相同的情况下，研究垫板宽度为45 mm、49 mm时变化对节点力学性能的影响。试件的滞回曲线见图11～图12，相关计算结果见表3。

由表3可知，相比BASE试件，BIP1试件负初始转动刚度增大2.3%，负极限承载力提高4%;BIP2试件负初始转动刚度增大4.7%，负极限承载力提高8.9%。每增加4 mm，负初始刚度约增加2.5%，负极限承载力提高5%。比较分析结果，可以得到：垫板宽度的变化对节点的正向初始转动刚度和正向极限承载力影响很小，这主要是因为：虽然垫板宽度有所增加，但并没有改变节点受拉时T形件翼缘的约束情况，T形件腹板和螺栓的相对位置也没有改变，因此垫板宽度的变化对设置垫板的梁-柱T形件连接节点的正向力学特性影响并不显著。

3.4"S2试件

本文设置垫板的梁-柱T形件连接节点的承载能力主要受下部T形件翼缘的控制，研究梁下部T形件翼缘上螺栓到翼缘距离为37 mm、47 mm时，螺栓排列方式对节点力学性能的影响。其滞回曲线见图13～图14，相关计算结果见表4。

由表4可知，随着下部T形件翼缘上螺栓到翼缘距离S2的增加，下部T形件翼缘上的竖向螺栓间距随之减小，设置垫板的梁-柱T形件连接节点正负初始转动刚度和承载力有所增加。S2-1试件相比BASE试件，下部T形件翼缘上的竖向螺栓间距由135 mm降低至115 mm，试件正负初始转动刚度分别增加11.3%和10.9%，正负承载力分别增加19.7%和10.3%;S2-2试件的下部T形件翼缘上的竖向螺栓间距减至95 mm，较BASE试件，试件的正负初始刚度分别增加22.5%和20.5%，正负承载力分别提高38.1%和41.3%，提高幅度较大。由此可知下部T形件翼缘螺栓间距每减小20 mm，试件正负初始刚度约增加10%，正负极限承载力约提高20%。但是从模型结果发现，下部T形件翼缘上的竖向螺栓间距对下部T形件翼缘和钢梁翼缘受力影响很大，随着下部T形件翼缘上的竖向螺栓间距的减小，下部T形件翼缘变形增大，且当下部T形件翼缘上螺栓的竖向间距为95 mm（即S2=47 mm）时，钢梁翼缘第三排螺栓处应力超过屈服强度，钢梁发生屈服。

比较分析结果可知：下部T形件翼缘上螺栓到翼缘距离的变化对节点的初始转动刚度和极限承载力影响很大。由于本文研究的新型节点主要靠下T形件翼缘竖向螺栓间距提供反向屈曲的空间，以保护主体钢梁及钢柱不发生屈服，因而从设计目的考虑，建议在满足构造要求的基础上，梁下部T形件翼缘尽量采用较大的竖向螺栓间距。

4"结语

本文基于已有试验结果，对不同参数下的设置垫板梁柱T形件连接节点滞回性能进行有限元分析，得出以下结论：

（1）下部T形件翼缘厚度对设置垫板的梁-柱T形件连接节点的力学性能起着决定性作用，下部T形件翼缘厚度不宜过薄。

（2）随着钢梁截面高度增加，节点的初始转动刚度和承载力有显著提高。

（3）下部T形件翼缘上螺栓到翼缘距离的变化对节点的初始转动刚度和极限承载力影响很大，在满足构造要求的前提下，梁下部T形件翼缘尽量采用较大的竖向螺栓间距。

（4）垫板宽度对节点正向受力性能影响不大，节点负向受力性能随着垫板宽度增加有一定程度的增加。

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（责任编辑：曾"晶）