T型钢连接梁柱半刚性节点承载力影响因素研究

2020-09-18黄俊飞

四川建筑 2020年4期

黄俊飞

(西南交通大学，四川成都 610031))

随着经济快速发展，钢结构由于其轻质高强的特点在各类建筑结构中广泛使用。钢结构中梁柱连接节点形式众多，其中T型钢连接半刚性节点将梁柱通过T型连接件和螺栓连接起来，便于加工安装，且避免了焊接带来的残余应力等不利影响，具有很好的应用前景。

钢结构节点区域往往受力复杂，需要保证节点具有良好的变形能力和承载能力。目前研究T型钢连接半刚性节点的承载能力和抗震性能的方法主要有试验方法，数值方法。Popov[1]等通过对T型钢连接半刚性节点进行低周往复加载试验，发现加载后期T型连接件翼缘屈服与柱分离，节点具有良好的耗能能力。Latour[2]等分析得出T型钢连接节点比焊缝连接节点等其他传统节点耗能性能强，同时提出了T型钢连接节点在往复荷载下的受力性能理论模型。戴绍斌[3]等通过拟静力试验研究T型钢连接节点，提出T型件翼缘刚度不同对延性影响较大。郑小伟[4]对T型钢连接节点施加低周往复荷载，分析了各试件的破坏特征和破坏机理，并探讨了影响节点滞回性能的决定因素，典型破坏模式为T型钢翼缘破坏，T型钢尺寸对节点性能影响较大。

本文利用有限元软件ADINA，选用双线性随动强化材料模型，建立了有限元模型，改变T型钢连接件翼缘的厚度，建立了不同模型，研究了T型钢连接件翼缘厚度对节点破坏形态和承载力的影响。

1 试验简介

图1展示了试件安装及加载装置[5]。通过T型钢连接件及高强螺栓将梁柱连接起来，试件BASE尺寸如图2所示，梁柱及T型钢均采用Q235钢材，螺栓为10.9级高强螺栓。试件柱脚用高强螺栓连接到置有压梁的钢梁上，压梁固定在场地地沟槽中。柱顶由WY30B-V高精度液压稳压器控制的油压千斤顶提供竖向荷载，控制柱轴压比为0.3。梁端设置作动器，施加竖向荷载。

图1 试件安装及加载装置[5]

图2 试件BASE尺寸(单位：mm)[5]

2 计算模型

ADINA软件具有强大的非线性问题解决能力，受到广大用户的推崇。本文采用ADINA软件建立T型钢连接半刚性节点模型，进行求解分析。

2.1 材料本构

Q235钢材本构采用双线性随动强化塑性材料模型(图3)，材料力学性能参数如表1所示。

表1 钢材力学性能

图3 有限元分析模型

2.2 计算单元及接触设置

梁柱及T型钢用4节点Shell单元模拟，网格尺寸控制为15 mm，螺栓孔位置附近受力复杂，对其进行网格加密处理。划分网格后有6 624个Shell单元。T型钢连接件翼缘和柱翼缘，T型钢连接件腹板和梁腹板之间设置面面接触，摩擦系数取0.4。

2.3 边界条件及加载制度

根据试验情况，试件柱底边界条件设置为全约束，柱顶释放转动约束和柱压力方向平动约束。将梁端节点，柱顶节点分别通过刚性连接耦合到一点，柱压力在柱顶以集中力形式施加在耦合点，同样梁端位移施加在耦合点。这样，柱顶集中力荷载相当于均匀面荷载，梁端侧面各节点亦具有相同的位移荷载。

2.4 计算参数取值

表2中给出了用于节点承载力参数分析的参数取值，主要分析T型钢翼缘厚度t的影响，这些取值均参考了一些实际的工程设计，b1为T型钢腹板厚度。

表2 主要参数分析取值 mm

3 结果分析

3.1 破坏形态

梁端施加向上的位移荷载，下T型钢连接件翼缘及腹板受拉，塑性应变主要在螺栓孔周围及翼缘腹板交界处，腹板有明显弯曲变形，连接件与柱翼缘脱开(图4)。

图4 T型钢连接件应变云

3.1 T型钢翼缘厚度

改变T型板翼缘厚度，梁端节点力-位移曲线如图5所示。不同T型板翼缘厚度，力-位移曲线的总体趋势是一致的，随着位移荷载的增大，节点反力先增大，后趋于平稳。

图5 梁端节点力-位移曲线

从图6可以看出，随着T型板翼缘厚度从8 mm，增加为12 mm、15 mm、20 mm，节点极限承载力不断增加，依次为65.60 kN、89.91 kN、124.75 kN、144.39 kN，增幅分别为37.06 %、38.75 %、15.74 %。T型板翼缘厚度的增加，对节点极限承载力的影响较大，但翼缘厚度从15 mm增加到20mm时，极限承载力增加幅度降低，翼缘材料强度得不到充分利用。因此，T型板翼缘厚度应控制在合理范围内，厚度太小会导致节点承载力不够，厚度过大会浪费材料。