钢框架柱栓焊混合拼接节点刚性分析及其对柱的结构稳定性能的影响

2024-01-18于鹏

建筑与预算 2023年12期

于鹏

（烟台仲伯企业管理咨询有限公司，山东烟台 264000）

钢框架结构是现代建筑结构的主要形式之一，其稳定性和安全性对于建筑物的使用寿命和安全性具有重要意义[1]。在钢框架结构中，钢框架柱是重要的承重构件，但由于制造、安装等方面的原因，钢框架柱不可避免地会出现各种形式的拼接节点，其中，钢框架柱栓焊混合拼接节点是一种常用的形式，它是一种结合了栓接和焊接的节点形式，其具有较高的承载力和良好的延展性，适用于大规模生产。相对于传统全焊接节点，该节点形式的刚度会有所降低，这可能会对结构稳定性产生一定影响[2-3]。同时，栓焊混合拼接节点的设计、制造和安装等方面的因素也会对结构的稳定性和安全性产生重要影响[4]。因此，研究钢框架柱栓焊混合拼接节点的刚性及其对柱和结构稳定性能的影响具有重要意义。

1 工程概况

山东省烟台市某框架建筑工程，采用钢框架结构体系，结构抗震设防烈度为8 度（0.2 g），结构高度为49.2 m，建筑面积为75 264 m2，建筑平面为矩形，横向柱间距均为4 800 mm，纵向柱间距分别为6 000 mm、4 000 mm 和6 000 mm，地上结构层数为14 层，层高3.5m，楼板采用压型钢板组合楼板，主梁采用Q345 钢材，主梁跨度为6 000 mm 时，梁高取为500 mm，跨度为4 000 mm 时，梁高取为400 mm，结构柱采用Q235 钢材，框架柱截面为HW300 mm×300 mm，为了满足结构刚度要求，在建筑角点采用方形钢管截面角柱，柱截面边长为450 mm，厚度为16 mm，柱与柱之间、柱与梁之间均采用栓焊混合拼接节点。

2 建筑钢框架柱栓焊混合拼接节点的刚度影响因素仿真分析

在建筑钢框架柱结构的拼接中，主要采取3 种主要的结构形式进行构件连接，分别是全焊接方式（上下柱翼缘和腹板采用全熔透坡口对接焊接）、全机械连接方式（翼缘板和腹板两侧加拼接板并采用高强螺栓摩擦型连接）、栓焊混合连接方式（翼缘采用焊缝连接，腹板采用高强螺栓摩擦型连接）[5-6]。全焊接方式的柱框架受力可靠、但具有大量的现场施工焊接工作；全机械连接方式具有较高的施工效率，但是螺栓的连接容易出现滑动缺陷，从而导致连接节点的刚度损失；栓焊混合连接方式在保证焊接工作量减少的基础上，又避免了高强螺栓的滑移，因此是目前较为广泛应用的钢框架柱节点连接形式[7]。在拼接节点满足等强设计要求条件下，根据结构力学原理，柱拼接节点的刚度可以定义为结构受到的力偶与其对应产生的转角之间的比值，如公式（1）所示[8-9]。

式中，k为钢框架柱栓混合节点的刚度；M为钢框架柱栓混合节点受到的弯矩；θ为钢框架柱栓混合节点的转角；E为钢材的弹性模量；A为单侧翼缘的截面面积；H为钢框架柱的截面高度；d为螺栓的水平间距；l 为拼接处翼缘发生有效变形区域内的长度。

为研究刚框架柱栓混拼接节点刚度的影响因素，基于有限元模拟软基ABAQUS 建立节点三维计算模型，如图1 所示。计算中采用的柱型钢与实际工程一致，规格为HW300 mm×300 mm，钢材材质为Q235 钢材，型钢截面宽度为294 mm，截面高度为302 mm，上下翼缘板厚度为12 mm，腹板厚度为20 mm，截面面积为108.30 mm2，理论重量为85 kg/m，惯性矩为Lx=17 000 mm4，Ly=5 520 mm4，抗拉强度设计值为215 MPa，抗剪强度设计值为125 MPa；型钢腹板之间的机械连接采用高强度摩擦型螺栓，螺栓数目为6，分为2排，按照横向间距为70 mm，纵向间距为105 mm进行布置；高强螺栓与型钢柱之间设Q235 钢材垫板，垫板宽度为230 mm，高度为195 mm。计算时，钢柱、高强螺栓和垫板的弹性模量均取2.06×105MPa，泊松比均取0.30，钢柱、高强螺栓的抗滑移系数均取0.45，垫板的抗滑移系数取0.15，钢柱和垫板的屈服强度均为235 MPa，高强螺栓的屈服强度为940 MPa。刚框架柱栓混拼接节点初始刚度为52.25 MN·m/rad，弹性阶段最大转角为0.00 213 rad，弹塑性阶段最大转角为0.00 793 rad。

图1 钢框架柱栓焊混合拼接节点三维有限元计算模型

运用控制变量法研究钢框架柱栓混合拼接节点的影响因数，考虑变量为钢柱的腹板厚度和轴压比，设置的计算工况如表1 所示。

表1 钢框架柱栓焊混合拼接节点计算工况

图2 为钢框架柱腹板厚度对栓焊混合拼接节点刚度的影响模拟计算结果。从图2 中可以看出，随着H 型钢腹板厚度的增加，钢框架柱栓焊混合拼接节点刚度呈线形增加的趋势，与18 mm 钢腹板厚度相比（工况A），20、22 和24 mm 钢腹板厚度的节点刚度分别提高13%、32%、41%，腹板厚度与节点刚度之间具有良好的拟合关系，拟合决定系数为0.981 1，如公式（2）所示。

图2 钢框架柱腹板厚度对栓焊混合拼接节点刚度的影响

图3 为钢框架柱轴压比对栓焊混合拼接节点刚度的影响模拟计算结果。从图3中可以看出，随着钢框架柱轴压比的增加，钢框架柱栓焊混合拼接节点刚度呈线形减小的趋势，与工况E相比，工况A 的节点刚度降低了0.48%，工况F的节点刚度降低了6.22%，工况G 节点刚度降低了8.86%，工况H 节点刚度降低了10.05%，轴压比与节点刚度之间具有良好的拟合关系，拟合决定系数为0.929 6，如公式（3）所示。

图3 钢框架柱轴压比对栓焊混合拼接节点刚度的影响

3 建筑钢框架柱栓混合拼接节点对柱的结构稳定性能影响的仿真分析

为了研究建筑钢框架柱栓混合拼接节点对柱的结构稳定性能的影响，同样运用数值模拟手段，计算有侧向位移条件下不同梁柱刚度比值的钢框架柱稳定承载力，以及钢框架柱失稳计算长度，并将计算结果与全焊接方式进行对比。设定的计算工况如表2 所示，工况A、工况J、工况M 和工况N 为钢框架柱两端均为铰接，工况K、工况L、工况O 和工况P 为钢框架柱一端固结、一端自由。

表2 钢框架柱栓混合拼接节点对柱和结构稳定性能影响的计算工况

表3 为不同计算工况下钢框架柱的稳定承载力以及钢框架柱失稳计算长度计算结果。从表3 中可以看出，所有计算工况下，有限元模型得到的计算长度系数与规范查询得到的计算长度系数基本一致，误差在-0.028～0.377之间，模拟结果可靠；对比工况A 和工况M、工况J 和工况N 可知，在钢框架柱两端与梁均为铰接条件下，随着节点刚度的增加，钢框架柱的稳定承载力也随之增加；对比工况K和工况O、工况L 和工况P 可知，在钢框架柱一端自由、一端固结条件下，节点刚度对钢框架柱的稳定承载力影响不明显。