双侧贯通板式节点有限元研究

目前,国内外对钢梁与钢管混凝土柱之间的节点连接大都围绕抗弯型节点研究展开,而对于在结构中主要是用于抵抗剪力的节点(也称简单铰接节点)的研究相对匮乏。此类节点构造较为简单,安装方便,在许多工程中有着较为广泛的应用。在非抗震区的中、高层钢框架结构中,梁柱之间常采用铰接方案。结构在因冲击荷载和火灾作用而产生竖向大变形的情况下,简单铰接节点还可以通过悬链线机制发挥抗倒塌能力。相关文献总结了几种常见的抗剪节点构造形式,其中单板抗剪节点是最为常见的一种节点类型。但由于在大多数抗剪节点中,剪力板是焊接在钢管表面的,拉力作用下后者很容易产生凸出变形,进而削弱节点承载能力。

为了实现钢管混凝土柱与钢箱梁的装配式抗剪连接,本文研究了一种双侧贯通板式节点。在此节点中,两块抗剪连接板即贯通板竖向穿过整个钢管然后平行放置于钢管柱两个相对的管壁上的预留槽口中,并通过钢管内的混凝土进行锚固;位于钢管外的部分分别紧贴钢箱梁的两腹板外侧,每一贯通板与相邻的腹板通过高强螺栓进行连接。

本文采用有限元软件,建立了有限元模型,并用试验结果对模型进行了验证。在此基础上,重点对节点的主要尺寸参数以及螺栓的布置形式对节点性能的影响情况进行分析。

双侧贯通板式节点由钢管混凝土柱、钢箱梁、两块贯通钢板和高强螺栓构成。根据文献中的节点试件 SJ1 建立有限元模型,如图 1 所示。钢管柱高 2 300 mm,截面尺寸为 250 mm × 250 mm × 5 mm。钢箱梁长 1400 mm,梁截面尺寸为 300 mm × 150 mm × 8 mm ×10 mm。节点中,在梁腹板与贯通板上的连接区域均开有螺栓孔,其中梁腹板上为直径 26 mm 的圆形螺栓孔,贯通板上的螺栓孔为椭圆形,所用的螺栓为10.9 级的 M24 高强穿芯螺栓,在连接时从梁的一侧横穿到另一侧,将梁的两块腹板和与腹板紧贴的两块贯通板连接起来。

图 1 节点有限元模型

有限元模型采用结构化自适应方法进行网格划分,选用的实体单元为 C3D8R 性减缩积分实体单元。对于节点中彼此接触的两个表面之间的相互作用,采用通用接触算法来模拟。摩擦系数取为0.45。对于贯通板与核心混凝土之间的锚固作用,ABAQUS 采用“嵌入” 约束来模拟。更多有限元模型和试验细节可参看文献,在此不再赘述。

为综合平衡计算工作量和收敛性,考虑在梁端施加竖向单调荷载,将模拟所得结果与试验结果进行比较。图 2 对比了有限元所得的荷载-位移曲线与试验节点试件 SJ1 的。图 3 和图 4 分别给出了有限元模拟和试验中节点的破坏模式。

图 2 有限元计算结果与试验结果的对比

图 3 破坏时贯通板上的应力分布 MPa

图 4 贯通板边缘螺栓孔处发生断裂

由图 2 可以看出,有限元计算结果与试验曲线整体上吻合良好,节点的初始刚度、极限荷载和延性大体相同。节点破坏时贯通板上的应力分布(图 5)也显示,贯通板上应力较大的区域集中在靠近钢管柱一侧的中上部,受力最大的位置是顶部螺栓孔上部到板边缘,节点最终因此处严重的拉伸屈服变形而失效,这与试验的结果是一致的。由此表明,有限元模型比较准确地模拟了测试节点的整体性能和破坏特征,结果是可以接受的。

图 5 节点破坏时贯通板上的应力分布 MPa

基于对节点试验的分析,考虑对原节点设计进行优化。优化的节点中,采用盲孔螺栓(也称单边螺栓)代替穿芯螺栓,同时将贯通板上的椭圆形螺栓孔用圆形螺栓孔代替,其中孔大小与梁腹板上的螺栓孔保持一致。图 6 对比了优化后的节点和原节点的承载力曲线。

图 6 节点设计优化前后结果

可以看出,优化后的节点最大承载力和延性都显著优于原节点,而在同等加载位移下,贯通板上的应力水平及变形程度(图 5)都低于图 3 所示的贯通板,节点的塑性变形能力明显增强。因此,采用盲孔螺栓、圆形螺栓孔的双侧贯通板式节点形式将会用于接下来的有限元参数分析中。

为深入了解节点各参数对节点性能的影响程度,本部分将采用有限元方法对其进行系统的参数分析。所考虑的参数包括钢箱梁末端距钢管柱表面的初始间隙(简称梁柱初始间隙)、贯通板厚度、螺栓的规格、螺栓孔布置等。

为便于叙述,对节点模型中的部分参数在图 7中进行了标注说明,其中 h _p 和 t _p 分别为贯通板的高度和厚度, l _bc 为梁末端到钢管柱表面的距离, h _up 、 h _dp 分别为贯通板上周边螺栓孔到板上、下边缘的距离,  l _rp 为贯通板上外侧一列的螺栓孔到板边缘的距离, l _ep 为贯通板上内侧一列的螺栓孔到梁末端的距离, p ₁ 和 p ₂ 分别为相邻螺栓孔的竖直和水平间距。

图 7 节点参数示意

建立的节点标准模型中,钢管柱高 2200 mm,截面尺寸为 250 mm × 250 mm × 12 mm,核心混凝土为 C30;钢箱梁长 1300 mm,截面尺寸为 300 mm × 150 mm × 10 mm ×18 mm;贯通板高 300 mm,厚度为 10 mm。节点连接区及贯通板上螺栓孔布置尺寸取值如表 1 所示。螺栓采用 12 个 8.8 级 M20 高强单边盲孔螺栓 HSBB,记为 M20-G8.8。使用此种盲孔螺栓时,所用螺栓孔的大小与普通螺栓孔类似。钢材屈服强度取为 f _y = 235 MPa,极限强度取为 f u= 350 MPa。弹性模量 E _s 和泊松比 ν 分别取为 210 GPa 和 0.3。

表 1 节点参数         mm

在参数分析中,考虑到节点模型关于中心平面呈左右对称,为简化计算工作量,增加计算收敛性,只建立整个节点的 1/2 模型,并在中心对称面上施加对称约束,梁端施加单向位移荷载。

3.1 梁柱初始间隙

图 8 给出了取不同间隙值时的节点荷载-位移曲线。为便于描述,将与贯通板连接的梁端称之为梁末端,另一端称之为加载端。结果显示:初始间隙 l _bc 的大小对节点性能的影响较为显著,初始间隙过小时,梁末端在转动过程中,会挤压到钢管柱壁,挤压接触行为一旦发生,节点转动刚度会急剧增大,加快了荷载-位移曲线的峰值点的到来,节点延性大大降低。设计时一般铰接节点,应避免在梁发生充分的塑性变形而破坏之前梁末端挤压到钢管壁;初始间隙越大,梁末端可自由转动的空间就越大,有利于贯通板塑性变形能力的发挥,节点延性越好;但过大的间隙会导致板的失稳,使板受压区产生了很大的平面外屈曲变形,造成节点失效。因此,间隙值也不应取得过大,以保证节点性能的发挥。

图 8 间隙的影响

3.2 贯通板厚度

当初始间隙 l _bc 对贯通板变形的不利影响,考虑通过增大板的厚度来增强贯通板的稳定性。将上述不同间隙值的节点模型中贯通板的厚度取为16 mm,所得的荷载-位移曲线如图 10 所示。可知:板厚的增加不仅提高了节点整体的承载力,也增强了板的塑性变形能力。

图 11 给出了间隙为 50 mm 时贯通板的变形情况,与图 9 相比,此时板下部受压区所发生的屈曲变形明显降低,板的稳定性得到了加强。但板的厚度不影响梁末端挤压到钢管表面时所转过的角度大小,如图中初始间隙为 10 mm 或 20 mm 时的情形。

图 9 间隙 50 mm 时 10 mm 厚贯通板的变形 mm

图 10 贯通板厚度的影响

图 11 间隙 50 mm 时 16 mm 厚贯通板的变形 mm

3.3 螺栓规格

此部分建立 6 个使用不同规格的螺栓的有限元模型,其中螺栓分别采用 8.8 级和 10.9 级的 M16、M20、M24 高强盲孔螺栓,分别记为 M16-G8.8、M16-G10.9、M20-G8.8、M20-G10.9、M24-G8.8、M24-G10.9。随着所用螺栓的等级及直径的改变,所施加给螺栓的预紧力也相应变化,分别 为 88,110,137,172,198,247 kN。图 12 给出了采用不同螺栓规格时所得到的荷载-位移曲线。

结果显示:6 种情况下所得荷载-位移曲线相差很小,节点初始刚度、屈服荷载及位移、峰值荷载及位移也基本相同。这说明改变螺栓的规格对节点的整体性能影响较小。不过在螺栓直径较小时,节点的破坏表现为螺栓的剪切破坏(图 13)。随着螺栓直径的增大,螺栓的抗剪承载力逐渐增大,螺栓的变形随之减小,节点的破坏逐渐转变为贯通板上部螺栓孔处的严重拉伸屈服变形。而螺栓预紧力的影响程度与螺栓的直径大小关系很大,当螺栓直径较小时影响更为明显。

图 12 螺栓直径和等级的影响

a—M16-G8.8; b—M24-G10.9。 

图 13 采用不同规格螺栓时节点的应力 MPa

3.4 螺栓孔布置

为了系统分析螺栓群的排布对节点性能的影响,考察了 8 种采用不同螺栓孔布置方案的节点模型,如图 14 所示。所用螺栓的个数分为 6 个、5 个、4 个和 3 个四种情况,螺栓群所占列数分为三列、双列和单列三种情况。所有节点中所用螺栓均为10.9 级 M24 高强盲孔螺栓,螺栓孔径均相同,梁末端到柱表面的水平距离 l _bc 和板厚 t _p 均为 10 mm,且保持不变。

a—节点 6B-D1( l _ep = l _rp = 60 mm, h _up = h _dp = 60 mm,2 p ₁ = p ₂ = 180 mm) ; b—节点 6B-D2( l _ep = l _rp = 60 mm, h _up = h _dp = 60 mm, p ₁ = p ₂ = 90 mm) ;c—节点 5B-T( l _ep = l _rp = 60 mm, h _up = h _dp = 60 mm, p ₁ = p ₂ = 90 mm) ;d—节点 5B-D( l _ep = l _rp = 60 mm, h _up = h _dp = 60 mm, p ₁ = p ₂ = 90 mm) ;e—节点 5B-S( l _ep = l _rp = 60 mm, h _up = h _dp = 50 mm, p ₁ = 50 mm) ;f—节点 4B-D( l _ep = l _rp = 60 mm, h _up = h _dp = 60 mm, p ₁ = p ₂ = 90 mm) ;g—节点 4B-S( l _ep = l _rp = 60 mm, h _up = h _dp = 60 mm, p ₁ = 60 mm);h—节点 3B-S( l _ep = l _rp = 60 mm, h _up = h _dp = 60 mm, p ₁ = 90 mm) 

图 14 8 种螺栓孔布置的节点模型

所得各节点的荷载-位移曲线如图 15 所示。结果显示,螺栓的布置方式对节点性能的影响较为显著。整体而言,所有节点承载力曲线大体走势一致,但各个节点又具有不同的变化特点。与节点6B-D1 相比,6B-D2 中两列螺栓孔的水平间距减小一半,但两节点的荷载-位移曲线几乎重合,且两节点中的贯通板上的应力分布并无明显差异,如图16a。这说明,两列螺栓孔间过大的水平距离并不能明显改善贯通板的应力分布,间距取值过大并无必要。因此,节点 5B-T、5B-D、4B-D 中贯通板宽度取值保持与 6B-D2 一致。

节点 5B-T 是将原本按双列布置的 6 个螺栓孔的中间两个螺栓孔合并成一个,并将其置于螺栓群的几何中心位置。由图 15 可以看出,使用 5 个螺栓孔的布置方式对节点整体的荷载-位移曲线没有影响,其与 6B-D2 的结果几乎完全重合。图 16b 也显示,节点 5B-T 中贯通板的应力分布也与 6B-D2 差别很小。

图 15 螺栓孔布置方式的影响

a—6B-D2; b—5B-T。

图 16 节点 6B-D2 和 5B-T 中贯通板的应力

节点 5B-D 和 4B-D 中增大了左上角螺栓孔到板边缘的距离。结果显示,边缘距离的增大使得板上的屈服区域充分扩展,增强了贯通板的塑性变形能力,节点的延性较其他节点明显增强,图 17 的应力和变形云图也证明了这一点。相比于节点 5B-D,4B-D 虽然少了一个中部螺栓,但贯通板的应力分布基本相同,螺栓也都没有达到屈服。这说明使用 4个螺栓就可以提供节点所需的抗剪承载力。

a—5B-D; b—4B-D。

图 17 节点 5B-D 和 4B-D 中贯通板的应力和变形

螺栓单列布置在单剪切板连接中非常普遍,也是目前简单铰接中常用的一种连接方式,因而此处还分析了单列螺栓孔连接的情况, 即节点 5B-S、4B-S 和 3B-S。图 18 结果显示:相对其他节点,这三者的承载力都有明显的降低。究其原因,在于节点的破坏模式——梁腹板与贯通板发生了较为严重的平面外变形,如图 18 所示。图中三个节点均表现出较为相似的破坏特点:梁腹板产生向内凹陷变形,而贯通板的外边缘附近向外翘曲。由于板过大的平面外变形限制了其塑性变形能力的充分发挥,进而降低了节点的承载力。

图 18 单列螺栓孔的节点变形情况

本文采用有限元分析方法对钢管混凝土柱-钢梁双侧贯通板式节点进行了深入研究,对影响节点性能的参数进行了系统的分析,得到如下结论: 

1) 与贯通板上开椭圆形螺栓孔和使用穿芯螺栓相比,使用圆形螺栓孔和盲孔螺栓更有利于节点实现较高的承载力和延性。

2) 增大梁末端到钢管表面的初始间隙,节点的转动能力会增强。但过大的间隙会使板下部易发生受压屈曲变形,导致节点失效。间隙的取值既要使贯通板可以充分发挥其塑性变形能力,又要使板不发生受压屈曲变形。

3) 增加贯通板的厚度可以增强板的稳定性,提高节点的承载能力,但板的厚度不影响梁末端挤压到钢管表面时所转过的角度大小。

4) 螺栓的规格对节点整体的承载力和延性的影响很小,但其对节点的破坏模式的影响却很明显。当螺栓直径较小时,节点易发生螺栓剪切破坏。

5) 螺栓孔的布置方面,建议使用五孔或四孔的双列或三列的布置方案,不宜采用单列螺栓孔布置方式。