新型钢结构梁柱连接节点力学性能

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摘要：文章以梁柱T型连接节点为例，对新型钢结构梁柱连接点展开力学分析，主要探究了钢结构梁柱T型连接构件的翼缘板厚度、螺栓直径与设置位置变化对连接节点变性能力与破坏形态的影响。结果表明，改变翼缘板厚度与螺栓直径会对连接节点的承载力、变性能力与破坏形态产生影响，在两参数增大的条件下，T型连接节点的承载力均有所提升。

关键词：T型连接节点；承载力；变形能力；破坏形态

1引言

对于钢结构来说，其自身质量较轻、可以循环利用且施工速度更快，因此在当前的建筑工程中得到了广泛应用。目前，央视大楼、上海环球金融中心等建筑中均使用了钢结构。其中，梁柱连接点对钢结构的稳定性、强度有着极大的影响，受到了人们的重点关注。因此，本文以梁柱T型连接节点为例，对其展开力学性能分析。

2有限元模型的建立

2.1试件设计

在本次研究中，主要选择了钢结构梁柱T型连接节点作为分析对象，使用有限元结构分析软件完成10个T型连接节点的简化模型设计，具体如图1所示。在静力荷载的作用下，对相应连接节点模型展开力学性能分析。研究中，主要对T型连接构件的翼缘板厚度、螺栓直径与设置位置进行变化，将其设定为变化参数，确定其连接节点力学性能的现实影响。这10个T型连接节点的简化模型的截面尺寸与参数如表1所示。a-钢结构梁柱T型连接节点；b-T型连接节点的简化模型；c-简化模型尺寸（翼缘板与腹板）在试件1、 试件2与试件3中，主要对翼缘板厚度（t1）进行变化，其中，试件1的翼缘板厚度取值为17mm；试件2的翼缘板厚度取值为12mm；试件3的翼缘板厚度取值为20mm。在试件4、试件5与试件8中，主要对螺栓直径（d）、螺栓中心与腹板边界的距离（e2）、螺栓横向间距（g）进行变化。在试件5、试件6中，主要对螺栓中心与翼缘板边界之间距离（e1）进行变化，其中，试件5的距离取值为45mm；试件6的距离取值为50mm。在试件9、试件10中，主要对螺栓中心与翼缘板侧边界之间的距离（s）进行变化，其中，试件9的距离取值为36mm；试件10的距离取值为45mm。

2.2单元的选择及网格划分

应用十结点六面体单元完成高强螺栓与T型连接构件的模拟；将三维接触单元中设置于螺栓头与翼缘板、螺母与翼缘板、孔壁与螺栓杆之间；设定滑移摩擦系数为0.45。在本次研究中，螺栓头、螺母、垫片均涵盖在高强螺栓头的范畴内，因此不对垫片的厚度展开单独考量，直接将其在螺母与螺栓头厚度中完成计算。同时，在实际的模型构建过程中，忽略螺纹所产生的影响，直接将其设置为圆柱体完成模拟，并在有限元分析软件中完成网络划分，完成高强螺栓模型、T型连接节点的简化模型、预拉力单元模型的构建。

2.3材料特性

在本次T型连接节点的力学分析中，应用了Q235钢以及强度等级达到10.9级的高强螺栓。同时，主要将弹性模量控制在2.06×105MPa。使用多线性随动强化三折模型完成对钢材料本构关系的模拟；将屈服强度设定为235MPa，其中，只有在板厚度超过16mm时控制屈服强度在225MPa；将极限强度设定为460MPa，其中，只有在板厚度超过16mm时控制极限强度在450MPa；将屈服应变设定为0.114×10-2；将极限应变设定为12×10-2。使用三折线应力-应变曲线表现高强度螺栓的材料特性，如图2所示，具体有：当应变在1~2倍屈服应变的范围内时，表明高强度螺栓正处于初始硬化阶段；当应变在2~8倍屈服应变的范围内时，逐渐达到极限应力。

2.4静力加载

本次试验中，在T型连接节点的腹板中选取一端，在其中施加3个方向（这3个方向相互垂直，即X轴、Y轴、Z轴方向）施加固定约束；相对应的，在T型连接节点腹板的另一端展开截面区域内所有节点的位移耦合（范围为平面内），同时将轴向荷载施加在耦合面的主节点中。这样的加载模式主要依托位移完成对静力加载的控制。可以将实际的加载操作划分为两部分，在第一部分中，主要落实螺栓预拉力的施加，预应力的施加依托单一的荷载子步实现。在第二部分中，逐步展开轴向位移荷载的施加，使用复数的荷载步实现。具体操作为：将初始位移荷载设定为2mm，荷载的增加量控制在2mm，实施逐级增加荷载的方式，直至试件损坏后停止。实践中，当进入第三荷载步后，引入大变形经静力分析，并依托复数个荷载子步实施加载；利用共轭梯度法完成求解。在本次研究中,M16的预拉力设计值控制在100kN；M20的预拉力设计值控制在155kN。

3力学性能分析结果

3.1破坏过程的描述与分析

3.1.1翼缘板厚度因素与承载力之间的关系分析在本研究中，使用试件1、试件2与试件3完成翼缘板厚度的参数变化，具体情况见文章第二模块，得到的试验结果如下所示。对于试件1来说，在对高强度螺栓完成预拉力的施加后，两侧翼缘板表现出紧密接触的状态；在施加的荷载提升至493.2kN后，两侧翼缘板依旧表现出贴合状态，且基本不存在缝隙；在施加的荷载超过493.2kN后，两侧翼缘板（翼缘与腹板）之间能够观察到缝隙，且这一缝隙的宽度随着施加荷载的增大而增大；在施加的荷载提升至522.3kN后，两侧翼缘板之间存在明显缝隙，且能够观察到翼缘板变形的情况（塑性变形），且在荷载进一步增大的情况下，这样的变形更为明显；在施加的荷载达到561.9kN后，两侧翼缘板之间能够观察到“张口”形变，此时螺栓颈缩现象明显，表示该构件无法继续承载。总体来说，在翼缘板与高强螺栓的强度具有一致性时，施加荷载后，两者的伸长量与极限承载力基本一致；产生破坏后，翼缘板发生塑性变形、高强螺栓断裂。对于试件2来说，在对高强度螺栓完成预拉力的施加后，两侧翼缘板表现出紧密接触的状态；在施加的荷载提升至273.3kN后，依托肉眼可以观察到两侧翼缘板的变形；在施加的荷载超过273.3kN后，两侧翼缘板的变形情况更加严重，整个试件进入屈服承载力状态；在施加的荷载提升至384.5kN后，两侧翼缘板的形变增大，且能够观察到“张口”形变，此时螺栓颈缩现象明显，表示该构件无法继续承载。总体来说，当翼缘板厚度较低、螺栓直径较大时，施加荷载后，翼缘板的变形量高于螺栓的伸长量，螺栓在翼缘板的边缘产生撬力作用；产生破坏后，翼缘板与螺栓相接触的区域可以用肉眼观察到极为明显的塑性变形。对于试件3来说，在对高强度螺栓完成预拉力的施加后，两侧翼缘板表现出紧密接触的状态；在施加的荷载提升至420.7kN后，两侧翼缘板依旧表现出贴合状态，且基本不存在缝隙；在施加的荷载提升至538.7kN后，肉眼可以观察到两侧翼缘板的变形，螺栓颈缩；在施加的荷载提升至598.6kN后，螺栓杆发生断裂。总体来说，当翼缘板刚度大于螺栓刚度时，在施加荷载的情况下，翼缘板不会发生变形情况；但是螺栓的伸长量会随着荷载的增加而增加，一旦伸长量超过极限值后，螺栓会发生断裂；在螺栓断裂时，翼缘板依旧稳定在弹性阶段。

3.1.2螺栓直径因素与承载力之间的关系分析对于试件4来说，在对高强度螺栓完成预拉力的施加后，两侧翼缘板表现出紧密接触的状态；在施加的荷载提升至448.1kN后，两侧翼缘板依旧表现出贴合状态，且基本不存在缝隙；在施加的荷载超过448.1kN后，整个试件逐渐进入屈服承载力状态；在施加的荷载提升至601.2kN后，两侧翼缘板之间存在肉眼可见的变形，腹板存在屈服变形；在施加的荷载提升至635.6kN后，腹板不宜继续承载。与试件1的变形情况进行对比能够得出，随着高强螺栓直径的不断增加，试件的变形能力表现出下降趋势，且破坏形态也发生改变。此时的破坏形态并不是翼缘板与螺栓破坏，而转变为腹板破坏。

3.1.3螺栓位置因素与承载力之间的关系分析将试件5与试件6的变形情况与试件1进行对比，能够得出：在对高强度螺栓完成预拉力的施加后，3个试件的变形情况基本一致，且变形能力与破坏形态也表现出了高度相似的情况，最终呈现出螺栓断裂、翼缘板形变过大。总体来说，依托螺栓至翼缘板边界距离的调整，无法对试件的变形能力与破坏形态产生变化。将试件7的变形情况与试件1进行对比，能够得出：在各个变形阶段中，试件7的变形能力高于试件1，最终试件7因为翼缘板屈服发生损坏。总体来说，依托螺栓与腹板边界之间的距离调整，能够改变试件的变形能力与破坏形态，且随着该距离的增大，试件变形能力更强，破坏形态逐渐转向翼缘板屈服破坏。将试件8、试件9与试件10的变形情况与试件1进行对比，能够得出：在各个变形阶段中，4个试件的变形情况基本一致，且变形能力与破坏形态也表现出了高度相似的情况，最终呈现出螺栓断裂、翼缘板形变过大。总体来说，依托螺栓横向间距、螺栓中心至翼缘板侧边界距离的调整，无法对试件的变形能力与破坏形态产生变化。

3.2承载力分析

得到的试件承载力数据如表2所示。能够看出，改变翼缘板厚度与螺栓直径对连接节点承载力的影响程度更大，在两参数增大的条件下，T型连接节点的承载力均有所提升。

4总结

综上所述，在翼缘板厚度增大的条件下，施加荷载后其变形能力下降，破坏形态逐渐由翼缘板破坏转变为螺栓杆断裂；在螺栓直径增大的情况下，试件的变形能力下降，破坏形态逐渐由翼缘板与螺栓破坏转变为腹板破坏；依托螺栓横向间距、螺栓中心至翼缘板侧边界距离的调整，无法对试件的变形能力与破坏形态产生变化。

参考文献：

[1]喻露.设置垫板的钢结构梁柱T形件连接节点滞回性能的有限元分析[J].贵州大学学报(自然科学版),2018,35(04):90-95.

[2]余飞,徐超.新型钢结构梁柱端板加强型节点有限元分析[J].低温建筑技术,2018,40(05):70-73.

作者：张庆勋 单位：云南工商学院