方钢管柱-H型钢梁顶底T型钢单向螺栓连接节点性能研究

董新元 刘仲洋，2 毛 会 王安安 张明普 陈 杰

(1.河北建筑工程学院，张家口 075000；2.河北省土木工程诊断，改造与抗灾重点实验室，张家口 075000)

0 引 言

钢材和传统的建筑材料相比具有更高的强屈比，钢构件的安装、二次加工以及搬运更加便捷[1].同时钢结构构件能够提前在工厂内预制，现场安装大多采用螺栓连接，这样使得安装更加机械化，大大提高了劳动效率[2].近年来国内外学者将钢结构建筑中的梁柱节点研究重点转向了外形规则的方钢管柱与H型钢梁的连接，方钢管柱具有比工字型或H型柱抗扭刚度大、承载力高等优点，更适合应用于钢结构建筑.但方钢管柱属于闭口型截面，无法采用传统的高强螺栓进行连接，而单向螺栓的应用改变了闭口截面传统的连接方式[3]，使得钢管柱等封闭截面构件与钢梁的连接不再依赖于现场焊接或对穿螺栓式连接等传统方式[4]，极大的提高了施工效率和施工质量.本文提出了一种新型的梁柱节点连接形式：方钢管柱-H型钢梁顶底T型钢单向螺栓连接节点，其中T型钢翼缘与柱翼缘采用澳大利亚的AJAX ONESIDE BOLT单向螺栓进行连接，梁翼缘和T型钢腹板采用普通的高强螺栓进行连接，利用ABAQUS有限元分析软件建立方钢管柱-H型钢梁顶底T型钢单向螺栓连接节点的有限元模型，并对相关数据进行了详细分析.

1 节点有限元模型建立

根据装配式钢结构常用的梁柱尺寸和层高要求并结合研究目的，选取平面框架中梁柱反弯点间的典型边柱节点进行研究，其中梁取计算反弯点处，梁长取为1.45 m,柱取相邻楼层层高的一半，即理论反弯点位置，根据实际情况对柱高进行调整，本文取柱高为1.75 m，试件型号为：400*200*8*13的H型钢梁；250*250*12的方钢管柱，197*200*8*10的T型件，10.9级M20高强螺栓以及10.9级M20 AJAX ONESIDE BOLT单向螺栓，除单向螺栓和高强螺栓外其余构件均为Q235钢.依据《钢结构设计标准：GB50017-2017》[5]、《钢结构高强度螺栓连接技术规程:JGJ 82-2011》[6]和Hollo-bolt说明书中关于螺栓间距的规定并考虑T型件尺寸，单向螺栓采用4排2列对称布置.梁端施加竖直向上的荷载，顶部T型件受压底部T型件受拉，模型平面图见图1，三维模型见图2所示.

图1 节点平面尺寸图

图2 节点有限元模型 图3 加载制度图

1.1 构件本构关系

在试验中测试得到的数据不能直接应用于ABAQUS中，因此需要按照公式1-1、1-2、1-3对试验数据进行相应换算得到材料的本构关系，最终材料参数见表1.

εtrue=ln(1+εnom)

1-1

σtrue=σnom(1+εnom)

1-2

表1 材料参数表

1.2 破坏准则

对于方钢管柱-H型钢梁顶底T型钢连接节点，节点域主要由顶底T型钢、柱壁以及单向螺栓组成，在梁端弯矩作用下，当出现下列情况时判定节点失效：

(1)单向螺栓受拉屈服或出现拉脱、剪断现象；

(2)T型钢翼缘弯曲变形过大或出现断裂；

(3)发生明显的柱壁屈曲破坏；

(4)由于钢材材料本构采用双折线模型，因此当各构件所受到的应力超过了极限应力且随着荷载继续增加应力保持不变时则视为构件失效.

1.3 分析步定义

节点的模拟共需要施加三部分荷载：柱顶轴力、螺栓预紧力和梁端加载.其中螺栓预紧力直接利用ABAQUS中自带的螺栓载荷进行创建，高强螺栓预紧力为155 kN，单向螺栓预紧力为203 kN.模拟共分为三个分析步：

在第一个分析步中创建螺栓载荷，定义螺栓预紧力为155 kN、203 kN.在螺杆的中部创建一个中心面作为施加螺栓预紧力的面，螺栓载荷在第二个分析步中传递，在第三个分析步中进行修改，选择“固定在当前长度”.

在第二个分析步中施加柱顶轴压力.根据《钢结构设计标准：GB50017-2017》[5]，选取轴压比为0.3，根据以下公式算得柱顶所需要施加的轴压力.

N=μN0

2-4

N0=fyAs

2-5

其中，fy代表方钢管柱所使用钢材的屈服强度，As代表方钢管柱的横截面面积，通过查询标准构件表获得.

第三个分析步施加梁端载荷，梁端荷载采用位移控制，加载制度如图3所示.

2 节点应力应变分析

对方钢管柱-H型钢梁顶底T型钢单向螺栓节点进行加载，当各构件所受到的应力超过了极限应力且随着荷载继续增加应力保持不变时则视为构件失效，节点的应力应变云图见图4.根据破坏准则以及节点的应力-应变有限元模拟结果可知，此类节点最先发生破坏的是T型件，当加载位移达到131.4 mm，相应荷载达到84.972 kN时，T型件的应力达到极限应力状态，再继续增加梁端位移T型件的应力不在增加，认为此种状态下构件失效，加载达到结构所能承受的极限荷载.当结构发生破坏时，通过节点的应力云图可以观察到，T型件被拉离柱翼缘一定距离，应力的最大部位在底部T型件的受拉螺栓处.其中，底部T型件腹板与翼缘相交处的应力达到材料的极限应力，形成贯通裂缝；节点域范围内，底部T型件与柱翼缘(与T型件翼缘相交侧)相交处的应力超过材料的屈服应力，发生明显塑性变形，其他部位均处于弹性阶段；梁上除部分螺栓孔处达到材料屈服强度产生塑性变形外，其余大部分范围材料均处于弹性状态，表明梁的材料利用率不高.通过节点的应变云图可知，底部T型件翼缘与腹板相交处最先出现塑性变形，顶部T型件的塑性变形主要集中在T型件翼缘与柱翼缘相交处，主要由于T型件受压和螺栓撬力所导致.

(a)节点Mises云图 (b)节点PEEQ云图

2.1 节点区柱应力应变分析

通过ABAQUS的构件显示功能单独显示出柱构件进行分析，观察节点达到极限承载力时柱的应力应变云图，底部T型件与柱翼缘相接触部位所受应力最大，最大应力为364.9 MPa,出现在螺栓与栓孔接触处，明显超过材料的屈服应力，但均没达到材料的极限应力，在节点域附近底部受拉侧柱翼缘基本全部进入塑性发展阶段，顶部受压侧则仅在螺栓孔周围、T型件翼缘与柱翼缘边界相接区域进入塑性发展阶段，且所受应力要明显小于受拉侧.通过分析步帧可以观察到，在第一个分析步中，施加完全部螺栓预紧力后，栓杆与栓孔接触部位以及栓帽与构件接触部位材料超过屈服应力，进入塑性发展阶段，主要是由于螺栓在施加完预紧力后，强大的挤压力使构件提前产生了一定程度的塑性变形.随着梁端位移增大，底部受拉区节点域的应力不断发展，螺栓孔附近的应力先沿y轴扩展，在逐渐向x轴方向扩展，最后沿栓孔周围形成一圈强应力区.在这一阶段螺栓预紧力用于抵抗梁端传来的拉力作用，但随着梁端荷载增加，螺栓预紧力逐渐被克服，柱翼缘开始逐渐被拉起，最后形成凸曲线型的破坏状态.而随着梁端荷载增加，上部节点域受压越来越明显，而受压应力最大部位则和受拉应力最大部位正好相反，最后形成凹曲线型的破坏模式，柱的应力-应变图如图5所示.

(a)柱Mises云图 (b)柱PEEQ云图

2.2 节点区梁应力应变分析

节点梁的应力应变图如图6所示，从图中可以看出应力主要集中在与T型件腹板相接触部位以及栓孔位置，其中应力最大部位在螺栓孔附近，梁上除部分螺栓孔与栓杆接触部分发生屈服外其他部位均未达到材料的屈服强度，因此可以判断梁基本处于弹性阶段.随着梁端荷载增加，应力开始向螺栓孔周围节点域范围发展，应力逐渐从远离加载端的一侧向加载端发展，在梁翼缘与腹板相交处也出现明显的应力增长现象.

(a)梁Mises云图 (b)梁PEEQ云图

2.3 节点区T型件的应力应变分析

节点T型件的应力应变图见图7、图8，通过观察可以发现，底部T型件受拉，在达到节点极限承载力时T型件被拉离柱翼缘一定距离，呈现凸曲线型；而顶部T型件受压，最后达到节点极限承载力时呈现凹曲线型.从图中可以看出，底部受拉侧T型件所受应力明显大于顶部受压侧，底部T型件应力最大部位集中在T型件翼缘和腹板交界处，已达到材料的极限屈服强度，在继续增加梁端荷载，T型件的应力不在增加；底部T型件翼缘的螺栓孔附近材料全部进入塑性发展阶段，而底部T型件腹板所受应力则相对较小.

顶部受压T型件所受最大应力为413.602MPa,主要在T型件翼缘与腹板相交的角部，角部位置由于受压而产生应力集中现象.底部T型件最大应力为445MPa，此后再继续增加梁端位移T型件所受应力不在发生变化，其中，最先达到材料极限强度的是翼缘与腹板相交处，在节点达到极限承载力时，翼缘与腹板相交部位出现塑性铰，并形成贯通趋势，而此时柱、梁以及螺栓均未达到材料的极限屈服强度，此现象表明T型件翼缘与腹板相交部位为节点的薄弱部位，节点破坏主要是由于底部受拉T型件翼缘与腹板相交部位被拉断所致.

(a)底部T型钢Mises云图 (b)顶部T型钢Mises云图

(a)底部T型钢PEEQ云图 (b)顶部T型钢PEEQ云图

2.4 节点区螺栓应力应变分析

单向螺栓和高强螺栓应力如图9、10所示，从图9中可知，底部单向螺栓受到的应力明显高于顶部单向螺栓.单向螺栓的最大应力出现在栓帽与栓杆相交处以及栓杆与柱和T型件翼缘相交处，最大应力出现主要由于螺栓承受沿杆轴方向拉力和垂直于杆轴方向的剪切力，随着梁端荷载不断施加，螺栓预紧力被克服，T型件与柱翼缘之间的摩擦力消失，T型件与柱翼缘之间产生相对滑移导致螺栓杆与孔壁之间发生错动致使孔壁承压.对于高强螺栓而言，随梁端位移施加，螺栓主要受到沿杆轴方向的拉压力以及垂直于杆轴方向的剪切力，高强螺栓的屈服强度较高，在节点传力过程中均处于弹性阶段.

(a)底部单向螺栓Mises云图 (b)顶部单向螺栓Mises云图

(a)底部高强螺栓Mises云图 (b)顶部高强螺栓Mises云图

3 节点荷载位移曲线分析

图11 节点荷载位移曲线图

节点的荷载位移曲线如图11所示，由于在定义材料的本构关系时没有定义材料的下降段因此在进行有限元模拟时无法模拟出曲线的下降段.从图中可以看出，节点变形经历了弹性阶段、塑性阶段以及破坏阶段，曲线最初呈直线状态，荷载-位移曲线呈现线性关系，随着荷载施加，T型件逐渐被拉离柱翼缘，荷载-位移曲线不在呈线性关系，节点开始进入塑性变形阶段，此后再继续增加荷载，T型件被拉离柱翼缘的距离越来越大，最终T型件翼缘和腹板相交位置被拉断，节点破坏.节点破坏时的极限承载力为85 kN，极限位移为131.39 mm，极限转角为0.09 rad，节点具有良好的延性性能和承载能力.

4 结 论

本文提出了一种新型的梁柱连接节点，通过整合模拟数据，对此类节点的破坏现象、受力特征及各组件应力应变分布、变化规律进行了详细分析，研究了连接节点在弹性阶段、弹塑性阶段及破坏阶段的特点，研究表明此类新型节点具有良好的承载能力、刚度和延性性能，并且施工难度低施工效率高，因此新型节点具有工程可应用性.根据研究结果，得到了如下结论：

(1)节点最先发生破坏的是底部受拉区T型件，随着荷载施加，受拉区T型件逐渐被拉离柱翼缘一定距离，在节点达到极限承载力时，T型件翼缘与腹板相交部位出现塑性铰，并形成贯通趋势，而此时柱、梁以及螺栓均未达到材料的极限屈服强度，节点最终的失效模式为T型件翼缘腹板相交处被拉断破坏，在实际的应用中可以考虑T型件和柱翼缘的连接加强.

(2)随着梁端位移增大，底部受拉区节点域的应力不断发展，在这一阶段螺栓预紧力用于抵抗梁端传来的拉力作用，但梁端荷载不断增加，螺栓预紧力逐渐被克服，柱翼缘开始逐渐被拉起，最后柱子形成凸曲线型的破坏状态.

(3)单向螺栓的最大应力出现在栓帽与栓杆相交处以及栓杆与柱和T型件翼缘相交处，最大应力出现主要由于螺栓承受沿杆轴方向拉力和垂直于杆轴方向的剪切力，随着梁端荷载不断施加，螺栓预紧力被克服，T型件与柱翼缘之间的摩擦力消失，T型件与柱翼缘之间产生相对滑移导致螺栓杆与孔壁之间发生错动致使孔壁承压.