方中空夹层钢管混凝土柱-钢梁单边螺栓连接节点静力性能有限元分析

黄春晓，潘福婷，赵 莉，王 颖

(1.建筑结构安徽省普通高校重点实验室(安徽新华学院)，安徽 合肥 230088；2.安徽新华学院 城市建设学院，安徽 合肥 230088)

0 引言

近年来，在高层和超高层建筑结构中，钢管混凝土结构较多应用在轴心或偏心受压构件[1]中，然而当构件长细比较大或者荷载偏心率较大时，形心处的核心混凝土不足以提供有效的抗弯承载力。中空夹层钢管混凝土(concrete filled double skin steel tube,CFDST)柱是在同心放置的两层钢管之间的夹层部位浇筑核心混凝土形成的一种组合构件，以其抗弯刚度大、耐火性能好、自重轻、塑性和韧性好等优点在超高层建筑、大尺寸灌注桩、输电塔、深海平台支架柱以及对耐火、抗冰冻要求较高的环境等结构领域得到了广泛的应用[2]。

目前端板式螺栓连接节点的受力性能研究主要针对H型钢梁-H型柱，而闭口截面形式的柱体由于施工难度大导致研究较少。单边螺栓具有单侧安装、单侧拧紧、受力性能可靠和施工便捷等优点，较好地解决了闭口截面形式钢构件之间的连接难题，常见的单边螺栓有Hollo-bolt和One side-bolt。

王静峰等[3]以柱截面空心率、端板形式等为参数，进行了方套方CFDST柱单边螺栓连接节点的拟动力试验，获得了各种工况下节点的动力特性和破坏模式。杨文伟等[4]通过4个中空夹层钢管混凝土-钢管K形搭接节点的抗震性能试验，得到了组合节点的破坏形态和抗震性能指标。霍永伦等[5]进行了单边螺栓连接的圆形CFDST柱-钢梁组合节点的抗震试验，研究表明组合节点具有较高的承载力和良好的滞回性能。目前，关于该类新型节点的工作机理分析及数值模拟的研究较少。

本文利用ABAQUS有限元软件，考虑材料本构关系、复杂接触和界面摩擦等问题，建立外伸端板连接的方套方截面CFDST柱-钢梁组合节点的静力模型，利用已有试验验证模型的准确性；深入研究材料强度、组合柱空心率、螺栓直径、螺栓预拉力和端板厚度等参数对组合节点核心域弯矩(M)-转角(θ)关系的影响规律，以期为此类节点在工程领域的设计和应用提供科学参考。

1 有限元模型建立

1.1 模型设计

该节点由方套方截面的CFDST组合柱与H型钢梁拼接而成，节点为中间层中柱节点，构造如图1(a)。钢梁与外伸端板之间、钢梁腹板与上下翼缘之间采用焊接连接，组合柱翼缘与外伸端板之间采用单边螺栓连接。

图1 典型节点构造图

1.2 材料性能

内外钢管采用的钢材应力-应变关系选用二次塑流模型[6]，单边螺栓采用的高强钢材选用双线性强化模型[7]，如图2所示。

图2 钢材的应力-应变关系

柱内核心混凝土采用文献[8]中的应力-应变关系曲线，数学表达式如下式所示：

(1-1)

式中：

1.3 网格划分和接触定义

节点模型中各组件均采用8节点的六面体C3D8R单元进行模拟，对节点核心区部位利用网格加密法精细划分，如图3所示。涉及的接触有内外钢管与核心混凝土、外钢管外侧与外伸端板、外伸端板与单边螺栓、内外钢管与单边螺栓、核心混凝土与单边螺栓。模型中所有的接触界面法线方向采用“硬接触”，切线方向采用库伦摩擦(组合柱与端板之间摩擦系数取0.8，内外钢管与核心混凝土之间摩擦系数取0.45)进行模拟。H型钢梁与外伸端板之间的焊接连接采用“绑定”约束。

图3 节点部件的网格划分图

1.4 边界条件和加载制度

该外伸端板连接的组合节点计算模型如图4所示。在柱底、梁两端和柱顶加载点处设置参考点进行耦合，柱脚按照铰接进行模拟，即Ux=Uy=Uz=0；左右钢梁两端各自同时施加X和Z向的位移约束，即Ux=Uz=0。加载时第一步对单边螺栓施加预紧力，第二步在组合柱顶施加轴向力，第三步采用位移控制加载水平荷载P。

图4 外伸端板连接节点计算模型

2 有限元模型验证

2.1 已有试验概况

选取文献[9]中外伸端板连接的实心方钢管混凝土柱-钢梁单边螺栓连接节点静力试验进行数值模拟。钢梁型号为H300mm×150mm×6mm×10mm，梁长1700mm；组合柱外钢管为200mm×10mm，柱高1625mm，所用钢材特性的具体参数见表1；核心混凝土抗压强度为33521N/mm2，弹性模量取44.34N/mm2；梁柱连接采用10.9级M20单边摩擦型高强螺栓。

表1 钢材材性

2.2 有限元结果与对比

采用上述方法对2个组合节点进行建模分析，得到了外伸端板连接节点的弯矩-转角曲线和破坏模态，并与试验结果进行对比，见图5与图6，总体吻合良好，验证了有限元模型的合理性。

图5 节点区弯矩-转角关系结果比较

图6 试件破坏形态结果比较

3 参数分析

针对本文前述的外伸端板连接的方套方截面CFDST柱-H型钢梁单边螺栓连接节点，选取了钢材强度(H型钢梁屈服强度fy,b、柱钢管屈服强度fy,c)、几何参数(柱空心率χ、柱长细比λ、柱截面含钢率α、螺栓直径d、端板厚度tep)和荷载参数(螺栓预拉力P/P0，P0为《钢结构设计规范》GB50017-2017[10]规定的10.9级M20螺栓预拉力，P0=155kN)对节点承载力和初始刚度进行参数分析，参数取值见表2。不同参数对组合节点核心区M-θr关系曲线的影响见图7。

表2 参数类型和取值

(1)H型钢梁屈服强度fy,b。由图7a可知，节点极限承载力随着fy,b的增大而增大，初始刚度基本保持不变。与235MPa相比，fy,b取345、420、550MPa的极限承载力分别提高18.5%、25.9%和33.3%。

(2)组合柱钢管屈服强度fy,c。由图7b可知，节点极限承载力随着fy,c的增大而增大，初始刚度变化并不明显。与235MPa相比，fy,c取345、420、550MPa的极限承载力分别提高21.4%、28.6%和35.7%。

(3)组合柱空心率χ。由图7c可知，节点弹性阶段承载力和初始刚度随χ的增大而减小，后期塑性阶段变化不明显。与0.49相比，χ取0.65和0.76的极限承载力分别降低3.1%和6.3%，弹性刚度则降低34%和60%。

(4)组合柱长细比λ。由图7d可知，节点弹性阶段承载力随λ的增大而增大，初始刚度变化不明显。与17.92相比，λ取30.72和51.19时，弹性阶段承载力分别增大2.9%和8.8%。

(5)组合柱含钢率α。由图7e可知，节点初始刚度随α的增大而增大，对承载力的影响并不明显。与0.14相比，α取0.32和0.54时，弹性阶段初始刚度分别增大40.8%和76.1%。

(6)螺栓直径d。由图7f可知，节点极限承载力随d的增大而增大，对初始刚度影响不明显。与16mm相比，d取20mm和28mm时，极限承载力分别增大9.4%和15.6%。

(7)端板厚度tep。由图7g可知，节点极限承载力和初始刚度随tep的增大而增大。与8mm相比，tep取16mm和28mm时，极限承载力分别增大78%和106%，初始刚度分别增大74.8%和133%。

(8)螺栓预拉力P。由图7h可知，节点极限承载力随P的增大而增大，弹性阶段初始刚度影响并不明显。与0.25P0相比，P取0.75P0、P0和1.5P0时，极限承载力分别增大14.6%、41.7%和75%。

图7 不同参数对节点M-θr关系曲线的影响

4 结论

(1)基于非线性材料本构关系，采用有限元软件ABAQUS，建立了外伸端板连接的方CFSDT柱-钢梁单边螺栓节点的数值模型。

(2)与已有试验的现象和结果进行对比，节点的破坏模式类似，核心区M-θr曲线吻合良好，证明所建模型的准确性。

(3)对于本文所建外伸端板连接的组合节点，随着钢梁屈服强度、组合柱钢管屈服强度、柱长细比、螺栓直径、端板厚度和螺栓预拉力的增大极限承载力增大，随着柱空心率的增大极限承载力减小；随着柱含钢率和端板厚度的增大及节点初始刚度增大，随着柱空心率的增大初始刚度减小。

(4)数值模拟分析表明，单边螺栓连接的方CFDST柱-钢梁组合节点具有较高的承载能力，可以在高层或超高层钢结构建筑中进行应用推广。