新型装配式槽钢连接节点有限元分析

李 斌，赵 翔

（内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014010）

目前，钢-混凝土组合框架结构在建筑领域被广泛使用，其中以钢管混凝土柱最具代表性，其良好的性能很好地满足了结构的承载力和抗震的要求。同时，钢管混凝土结构较为经济高效，与纯钢结构相比，钢管混凝土结构能节约50%的钢材[1]，和钢筋混凝土结构相比，节约50%以上的混凝土。这和国家大力推广的绿色建筑的要求相吻合。因为“强节点，弱构件”的设计需要，钢管混凝土柱和钢梁连接节点有着至关重要的作用，关系着结构能否可靠传力，以及安全经受地震的考验。在现有的钢管混凝土节点中，最常见的破坏特征就是焊接节点焊缝处出现脆性破坏[2-3]。针对焊接节点易出现脆性破坏的问题，许多学者提出了解决方案，其中诸多方案都采用栓接代替焊接的方法。汪青杰等[4]提出一种钢管混凝土柱与型钢梁连接节点，通过试验对比分析，得出了方形环板比圆形环板承载力更高。王培成等[5]提出贯隔式钢管混凝土柱-H 型钢梁节点，通过试验研究，隔板贯通式节点具有良好的抗震性能。Yang 等[6]对全焊接节点和高强螺栓节点进行了低周反复荷载试验，主要是对比螺栓连接节点和焊接节点的滞回性能试验。试验结果表明，与焊接连接相比，高强螺栓连接的初始刚度提升了39%，极限承载力提高了28.3%。

基于国外的“剪切保险丝”连接[7]，提出了新型方钢管混凝土柱-H 型钢梁双槽钢连接节点的构造形式，可以有效避免梁柱连接处焊接产生的脆性破坏问题，且设置的槽钢连接件也避免了以往全螺栓节点连接在柱壁上开孔的缺陷;采用Abaqus 有限元软件对其进行低周反复加载，从滞回性能和耗能能力，研究此类节点的抗震性能。

1 方钢管混凝土柱-H 钢梁双槽钢连接节点设计

对文献[7]的剪切保险丝连接节点进行部分改进，将4 块连接板改进为2 个槽钢连接件，目的是增加节点的刚度，同时减少4 块连接板焊接定位的难度。方钢管混凝土柱-H 型钢梁双槽钢连接节点主要由6 个基本部分组成，即：方钢管混凝土柱、H 型钢梁、槽钢连接件、翼缘连接板、腹板连接板和高强螺栓。节点试件梁长1 300 mm，柱长1 800 m。槽钢连接件为焊接，腹板和翼缘厚度一致，均为14 mm。节点参数见表1。节点模型如图1 所示。钢材选用Q235 钢，钢管柱内填充C40 混凝土，螺栓采用10.9 级M20 高强摩擦型螺栓。上下翼缘的拉力由梁翼缘通过翼缘连接板传递到槽钢连接件再传递到柱腹板上，经过计算翼缘连接板上螺栓数量确定为16 个。H 型钢梁上的剪力通过腹板连接板传递到柱翼缘上，经过计算，腹板连接板上需要2个M20 高强螺栓。每个螺栓根据GB 50017—2017《钢结构设计标准》，施加155 kN 的预紧力。槽钢连接件和方钢管混凝土柱之间采用三面围焊，焊脚尺寸经过计算取12 mm。腹板连接板和柱翼缘采用全熔透对接焊缝。

图1 节点模型

表1 节点试件的尺寸和参数

2 有限元模型的建立

2.1 单元类型和边界条件

采用有限元分析软件Abaqus 建立节点有限元模型。对于有限元分析的网格模型，ABAQUS 提供大量单元库，方便使用者使用，其几乎能模拟出实际工程中任一种几何形状有限元模型，当分析某一问题时，可根据具体情况，择优选用。本模型的所有实体单元类型均选用八点减缩积分三维实体单元（C3D8R），该种单元可以有效避免有限元计算中出现沙漏现象，计算结果较为精确。具体网格划分如图1 所示。

边界条件参考实际试验，如图2 所示，在柱反弯点处铰接。首先在模型的柱端和梁端都添加参考点，然后将梁柱端面与参考点耦合，在参考点上添加边界条件。模型柱端边界条件柱下端为U1=U2=U3=0，上端U1=U2=0。模拟的实际试验是采用梁端加载，因此梁端的边界条件为U1=0，U2≠0，U3≠0，UR2=UR3=0，UR1≠0，目的是在梁端U3 方向施加低周反复荷载，并且保证梁在加载时不出现平面外失稳。

图2 边界条件

2.2 材料本构和接触关系

有限元模型Q235 钢材和10.9 级M20 高强螺栓采用的本构模型均为双折线模型[8-9]。由于钢管壁对混凝土侧向约束作用，C40 混凝土本构采用刘威[10]提出的混凝土应力－应变关系模型。钢材之间采用Contact 模拟构件之间的摩擦，摩擦系数为0.3，钢材与混凝土之间摩擦系数为0.6。焊接连接部位采用Tie 绑定连接[11]。

3 有限元结果分析

根据有限元试算结果，试件首先在螺栓孔位置处出现高应力区，随着螺栓预紧力的增加，螺栓孔附近应力迅速增加。当加载到20 mm，节点高应力区向梁翼缘与翼缘连接板相接位置处扩展。加载到40 mm，可以清楚地看到梁翼缘拉力通过翼缘连接板、槽钢连接件传到了柱腹板上。加载到80 mm，柱腹板应力缓慢增长，梁上应力发展较快。加载到100 mm，梁和翼缘连接板交界位置出现塑性铰，最大变形也发生在此处，节点核心区未发生破坏，符合“强节点，弱构件”的设计原则。

3.1 轴压比

不同轴压比下节点的滞回曲线如图3 所示，可以看出滞回曲线较为饱满，呈弓形。有一定的捏缩现象，这是由于螺栓滑移造成的。随着轴压比增大，节点滞回曲线最大荷载几乎不变，说明轴压比变化对节点的承载力影响不大。节点的饱满程度随着轴压比增大而减小。

图3 不同轴压比节点滞回曲线

不同轴压比下节点的等效粘滞阻尼系数如图4 所示，等效黏滞阻尼系数越大反映节点的耗能能力越好。对比发现，节点的轴压比在0.4 时节点的耗能能力最好，在极限位移时分别比轴压比0.2 和0.6 的大3.84%和12.5%。

图4 不同轴压比节点等效黏滞阻尼系数

3.2 翼缘连接板厚度

不同翼缘连接板厚度节点的滞回曲线如图5 所示，可以看出滞回曲线较为饱满，呈弓形。随着翼缘连接板厚度增大，节点的最大荷载有所提升，但翼缘连接板厚度为10 mm 时承载力最大，分别比翼缘连接板为6 mm 和14 mm 时大9.63%和1%，说明随着翼缘连接板厚度增加节点的承载力增加，但是不宜超过10 mm。节点的饱满程度随着翼缘连接板厚度增加而增大。

图5 不同翼缘连接板厚度节点滞回曲线

不同翼缘连接板厚度节点的等效黏滞阻尼系数如图6 所示。对比发现，节点的耗能能力随着翼缘连接板厚度的增加而提高，在14 mm 时节点的耗能能力最好，在极限位移时分别比6 mm 厚和10 mm 厚的大21.32%和2.16%，10 mm 厚和14 mm 厚翼缘连接板节点耗能能力相差不大。

图6 不同翼缘连接板厚度节点等效黏滞阻尼系数

4 结论

对于新提出的钢管混凝土柱-H 型钢梁槽钢连接节点，进行了6 个试件的Abaqus 模拟分析，研究了节点在低周反复荷载下的受力情况。结果表明，节点的轴压比对节点的承载力影响较小，轴压比在0.4 时节点的耗能能力最好；节点的翼缘连接板厚度对节点的承载力有一定影响，翼缘连接板为10 mm 时节点的承载力最大，节点的耗能能力随着翼缘连接板厚度的增加而增大，翼缘连接板厚度为14 mm 时耗能能力最好，但是和10 mm 时相比提升不大。