李澤深，覃達威，張克實，李秀梅

(廣西大學土木建筑工程學院， 廣西南寧530004)

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不同構造T形鋼連接節點受力性能分析

李澤深，覃達威，張克實，李秀梅

(廣西大學土木建筑工程學院， 廣西南寧530004)

摘要：當采用T形鋼和高強螺栓連接的梁柱節點時，不同的連接件構造對節點受力性能的影響很復雜。為了研究不同連接件構造對T形鋼連接節點受力性能的影響，在實驗研究的基礎上，用有限元軟件ABAQUS建立不同構造節點的非線性有限元模型進行分析。模型綜合考慮了材料的循環塑性特征、連接部位的接觸問題以及高強螺栓的預緊力等要素。通過數值模擬分析，對包含不同構造連接件的T形鋼連接節點在循環荷載作用下的受力性能進行了深入探討。研究結果表明：對節點連接件進行局部加強可以顯著提高節點承載力，但對增加其延性和耗能能力并無幫助；對節點連接件進行局部削弱有助于增加節點的變形能力和耗能系數。但其承載能力退化嚴重；翼緣擴大型T形鋼連接節點的延性系數和耗能系數均是普通T形鋼連接節點的1.3倍，其承載能力較普通T形鋼節點提升了43.3%，是更優良的T形鋼連接節點構造形式。

關鍵詞:數值模擬；T形鋼構造；半剛性節點；本構模型

在鋼框架結構中，梁柱節點連接部位受力復雜，而節點的受力性能對整個結構的變形和承載能力均有較大的影響，明確梁柱節點區域的約束關系和滯回性能是進行鋼框架受力設計的關鍵[1]。半剛性節點可彌補傳統焊接節點變形性能較差的缺陷，已經較為廣泛的應用于實際結構中。T形鋼連接是一種常見的梁柱半剛性節點的連接形式，它由高強螺栓將梁、柱以及T型連接件拼接起來，施工過程不需要焊接，快速方便[2]。

T形鋼連接節點有優良的延性和抗震性能，且節點初始剛度較高[3]。許多研究者對T形鋼連接梁柱節點受力性能進行了實驗研究。針對T形鋼螺栓連接梁柱節點進行了單軸和循環加載試驗，發現該類型節點的變形性能良好，節點在變形過程耗散了大量的能量，因此節點具有良好的耗能性能[4-7]。但T形鋼連接節點的構造形式種類繁多，不同構造節點的受力性能差異還有待研究。

為了研究T形鋼連接梁柱半剛性節點在循環荷載作用下的受力性能，本文通過有限元軟件ABAQUS建立了T形連接件的非線性有限元模型并計算。建模過程中綜合考慮了材料的循環塑性特征、連接部位的接觸問題、以及高強螺栓的預緊力等要素。并根據已有的實驗結果，對有限元計算的結果進行了驗證，發現計算結果可以較好的預測T形鋼連接節點的受力性能。利用該有限元建模方法對包含不同構造連接件的T形鋼連接節點在循環荷載作用下的響應情況進行有限元分析。探討了不同T型連接件構造對節點承載能力、變形性能、滯回性能影響的規律。

1試件設計

為得到更優良的連接件構造形式，在傳統的T形鋼連接梁柱節點的基礎上，對節點連接件構造按不同方案進行改進，共設計了5個試件：TF0試件代表傳統的T形鋼連接節點，是對比試件;TF1、TF2、TF3試件為加強型改進試件，TF4為削弱型改進試件。各節點梁柱均采用標準H型鋼尺寸，其中梁截面尺寸為294 mm×200 mm×8 mm×12mm，柱截面尺寸為300 mm×300 mm×10 mm×15 mm，螺栓為M20高強螺栓。其中，TF0試件的T形鋼截面尺寸為250 mm×200 mm×10 mm×15 mm，其余各試樣的T形鋼為在TF0試樣T形鋼基礎上改進得到。為了節約計算時間，考慮到試件關于梁柱腹板中心面幾何對稱，取實際結構的一半建模。模型的幾何參數及各試件的構造差異說明見表1，各節點連接形式的有限元模型參見圖1。

表1　試件構造差異說明

(a) TF0

(b) TF1

(c) TF2

(d) TF3

(e) TF4

2有限元模型

2.1模型的建立和單元劃分

圖2　典型的T形鋼節點模型Fig.2　The typical T-stub connection model

節點模型由鋼梁、鋼柱、T型連接件和高強螺栓組成。鋼梁、鋼柱和連接件均采用空間三維六面體非協調模式線性單元(C3D8I)模擬。采用掃略(sweep) 方式進行網格劃分，在應力集中部位進行了網格加密。單個試件模型全部單元數約為42 000個。典型的連接模型如圖2(考慮了對稱)。

2.2材料本構關系

①Q235鋼

考慮到節點材料受循環反復荷載，采用Chaboche本構模型[8]描述材料的屈服和塑性流動，其屈服函數為：

(1)

式中，σ′和α′分別是應力張量σ的偏量和背應力張量α的偏量，R描述屈服面的大小。

而塑性變形符合法向流動法則：

(2)

在塑性變形過程中，材料的硬化分為兩個部分：各向同性硬化和方向性硬化。各向同性硬化是指屈服面的膨脹，即:

R=σ0+Q[1-exp(-bp)],

(3)

式中,σ0為塑性應變為零時的屈服面大小，Q和b是通過實驗確定的材料參數。

而方向性硬化是指屈服面的移動，用背應力演化來描述:

(4)

根據材性試驗的結果[9]，對Chabohe模型的材料參數進行擬合并列于表2。其中，ρ為材料密度，E和ν分別是彈性模量和泊松比。

表2　Q235鋼材料參數

圖3　高強螺栓鋼應力—應變曲線Fig.3　High strength bolt steel stress-strain curve

②高強螺栓材料

高強螺栓的材料為40Cr合金鋼。在試驗加載過程中，螺栓只受到單向壓緊的預緊力，因此對40CR合金鋼只進行單向拉伸的材性試驗，測試得到的應力—應變曲線如圖3所示。采用等向強化模型描述其力學行為，根據材性試驗的結果，得到材料參數如表3。其中E為材料彈性模量，σ0為初始屈服應力，ν為材料泊松比，εu為極限應變，σu為極限應變。

表3　高強螺栓材料參數

2.3模型的加載方案

考慮結構的對稱性及計算的經濟性，取一半結構建模，在對稱面上施加對稱約束。柱上端除軸力方向外全部約束，柱腳固定。在柱頂設置均勻軸壓力，梁端中心點施加位移控制的反復荷載。

2.4接觸的處理

在各接觸面之間設置面面接觸(face to face)。T型連接件和梁翼緣間(圖4中面1)、螺帽和梁柱之間(圖4中面2)、T型連接件和柱翼緣面之間(圖4中面3)均有法向和切向的相互作用，螺帽沿螺桿方向的接觸面(圖4中面4)只設法向相互作用。切向摩擦設為庫倫摩擦，摩擦系數取為0.4[10]?？紤]到在接觸面之間的滑移較大，接觸屬性設為有限滑移。螺孔面和螺桿面之間作用主要是相互擠壓，因此只考慮其面面之間的法向作用，設為硬接觸(hard contact)。

模型中高強螺栓在螺桿中心面(圖4中面5)施加螺栓荷載(bolt load)。為了保證模型能更好收斂，首先在螺桿中心施加1 kN的預緊力，然后增大到155 kN?？紤]到預緊力施加后螺栓產生微量變形和螺栓預緊力逐漸退化，在試件受荷過程中近似設螺桿長度不變。

盧一平放下手上的書,這3D呀,是從國外傳來的。在美國,3D的玩法叫“選 3”（pick3）,有的還叫“每日數字”（dailynuber）。

(a) 接觸面(b) 高強螺栓預緊力受荷面

圖4接觸面和高強螺栓預緊力

Fig.4Contact pairs and bolt pre-tightening force

3有限元計算的驗證

為了證明有限元計算的合理性，根據課題組已有實驗結果[11]，對傳統T形鋼連接節點構造形式的有限元計算結果進行了驗證和分析。圖5為有限元計算結果與實驗結果得到的力—位移曲線對比圖，圖6為有限元計算得到的節點變形情況與實際節點變形情況的對比圖。從圖5中可以看出，根據上述建模方法建立的有限元結果可以較好的描述實驗結果，從而證明了該建模方法的合理性。

(a) 單軸拉伸測試

(b) 軸向拉壓循環測試

圖5試驗與計算的P-Δ曲線對比

Fig.5Comparison of measured and predicted results of theP-Δ curve

(a) 有限元計算結果

(b) 試驗測試結果

圖6變形特征對比

Fig.6Comparison of the deformed shape

4不同構造T形鋼連接半剛性節點性能分析

4.1不同構造節點性能參數比較

通過各種改進型構造節點與對照節點的數值模擬，可以對不同構造T形鋼連接半剛性節點的滯回曲線、極限承載力、延性性能和耗能系數等抗震指標進行比較分析，限于研究側重點的不同，本文暫不討論模型尺寸大小以及對節點區梁柱截面剪切變形的影響程度。

①滯回曲線

滯回曲線是試件剛度、承載力、延性和耗能等性能的綜合反映。圖7為數值模擬得到的各試件P-Δ滯回曲線，從圖7中可以看到：各T形鋼連接梁柱半剛性節點梁端力—位移滯回曲線均表現出一定的捏縮特征。這是受到加載過程中高強螺栓的滑移，以及T型連接件與柱翼緣接觸面之間受拉，面面之間的摩擦力減小的影響所致。其中，TF2和TF3試樣的塑性變形能力較強。從滯回曲線的形狀來看，TF3試件的滯回曲線呈梭形，曲線最為飽滿；而TF0、TF1和TF4試件的滯回曲線呈弓形，TF2試件的滯回曲線則呈Z型，捏縮現象最明顯。 從滯回曲線的面積來看，TF2試件的極限承載力最高，其耗能面積最大；TF1試件和TF3試件的極限承載能力相當，但TF3試件的耗能面積遠大于TF1試件；TF4試件的耗能面積最小。綜之，與其他四種構造形式相比，翼緣擴大的TF3試件塑性變形能力較強，滯回曲線飽滿，耗能性能最優。

圖7　各試件滯回曲線

②極限承載力

圖8為三組試件極限承載力對比示意圖，并將各試件極限承載力數值附于表4中。由圖8及表4可知，與對比試件TF0相比，在原型試件的基礎上對節點連接部位進行加強的TF1、TF2、TF3試件均有更強的承載能力。其中，TF2試件承載力提高最大，提高了1.8倍;TF1提高了29.3%，TF3提高了43.3%。因此，添加了抗剪連接件的加強型節點具有最好的承載能力。TF4試件與對比試件TF0相比極限承載力降低了5.1%，可知適當對梁端進行削弱會降低節點極限承載力但影響不太大。

圖8　極限承載力對比

試件名稱1TF0TF1TF2TF3TF4Fu/kN115.42149.24327.74165.38109.48Δy/mm20.6722.5038.1627.0723.20Δu/mm74.6158.59119.33119.6694.76μ3.382.643.114.413.88E1.471.311.051.912.12

1.其中Fu和Δu均為正反向極限荷載和極限位移的平均值，Δy為試件的屈服位移，μ為延性系數，E為節點耗能系數。

③延性性能

本文采用位移延性系數表示延性性能指標，試件的位移延性系數由試件的極限位移和屈服位移之比算得。μ值越大，節點延性越好。

μ=Δu/Δy，

式中，Δu為試件承載力下降到最大承載力的85%時的位移[12]，Δy為試件屈服時的位移。

圖9　延性系數對比Fig.9　Comparison of displacementductility coefficient

表4列出了各試件的屈服位移、極限位移以及位移延性指標。圖9為TF組試件的延性系數對比，由圖9可以看出，削弱型試件TF4的位移延性系數較對比試件TF0增加了12.89%。加寬T形鋼翼緣寬度的加強型試件TF3的延性系數為普通T形鋼延性系數的1.3倍，表明增加節點的延性和削弱節點附近的梁截面均有助于增大節點的延性性能，且前者幫助更大。加強型試件TF1和TF2的連接剛度較強，在一定程度上限制了其變形能力，因此其延性與對比試件TF0相比稍差。

④耗能系數

耗能性能是指地震作用下結構構件發生變形并消耗地震能量的能力。本文衡量結構在地震中的耗能能力指標采用能量耗散系數E，E值越大表示耗能能力越好，E取滯回環的面積SABCD與同一位移下等效彈性體的耗能面積(SΔOBE+SΔODF)的比值,如圖10。

由圖11可以看出，與對比試件TF0相比，TF3試件和TF4試件的耗能系數較大，分別為普通T形鋼節點的1.3倍和 1.4倍;而TF1試件和TF2試件的耗能系數較小。這是因為擴大了的T形板翼緣之后，使得TF3試件的抗彎能力大大增強;而TF4試件則是由于其破壞位置由T形板轉移到了梁的截面削弱處，節點部位的梁翼緣變形增加，使得節點的變形能力增強。TF1試件和TF2試件的節點連接較強，變形能力不夠，因此耗能系數較小。

圖10能量耗散系數計算

Fig.10The energy dissipation coefficient calculation

圖11耗能系數對比

Fig.11Comparison of energy consumption coefficient

4.2不同構造節點受力機理分析

從上述節點性能參數的比較可以看出:①翼緣擴大的TF3試樣，各項性能均優于傳統的T形鋼節點TF0試樣。在水平往復荷載作用下，對T形連接件的翼緣進行局部加強，可以使節點形成明顯的塑性鉸，避免T形鋼翼緣和腹板連接處的應力高度集中導致的破壞，從而實現梁端塑性鉸外移，有利于節點滿足強柱弱梁的抗震設計原則。②梁端削弱的TF4試樣承載能力較差，但延性和耗能性能均較為優異。梁端削弱位置成為節點的薄弱區域，實現了節點塑性鉸的外移。但是梁截面剛度被削弱使得其極限承載能力降低。③添加腹板連接件的TF2試樣的初始剛度和極限承載力均較普通T形鋼節點大，腹板連接件分擔了部分T形鋼承受的剪力，但是限制了節點區域的變形，導致其延性和耗能性能較差。④TF1試樣的應力集中部位在新加肋與T形鋼翼緣和腹板之間，該部位的應力集中對節點的變形和耗能均有不利影響。

5結論

不同構造T形連接件對節點的承載能力、延性和耗能性能均有較為明顯的影響。本文對四種包含不同T形鋼構造的梁柱節點在循環荷載作用下的受力性能進行研究，結果表明：

①對連接部位進行加強改進的節點(如節點TF1和TF2)，其承載能力有所提高，但是這兩種節點的延性和耗能性能表現不佳。

②對連接部位進行局部削弱改進的節點(如TF4)，其延性和耗能性能有所改善，但是這種節點的承載能力不足。

③翼緣擴大T形鋼節點(TF3)的延性性能和耗能性能最為優異，其延性系數和耗能系數均為普通T形鋼節點的1.3倍；其承載能力較普通T形鋼節點提升了43.3%,是較為理想的T形鋼連接節點構造形式。

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(責任編輯唐漢民梁健)

Influence of different joints on structural performance of T-stub connections

LI Ze-shen， QIN Da-wei， ZHANG Ke-shi, LI Xiu-mei

(College of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University， Nanning 530004， China)

Abstract:Connections using T-stub and high strength bolt to join beam and column have good mechanical performance. The structural behaviors of the connections are strongly affected by the forms of joints. In order to study the influence of different T-stub structures on the mechanical performance of the connections, nonlinear finite element models were built by ABAQUS based on an experimental research. Through the numerical simulation analysis, the cyclic plastic characteristics of material, the contact of connection parts and the pre-tightening force of high strength bolts were considered in the models. The mechanical performances of connections with different forms of T-stub structures under cyclic loading were discussed. The simulation results prove that the enhanced connections improve carrying capacity but weaken ductility and energy dissipation performance. The weakened connections improve the deformation capacity and the energy dissipation performance but decline the carrying capacity. The ductility coefficient and energy dissipation coefficient of the widened T-stub connections are 1.3 times as large as those of the ordinary one, and the carrying capacity is increased by 43.3%, which shows that the widened T-stub connections have better structural behavior than others.

Key words:finite element method (FEM); T-stub structures; semi-rigid connections; constitutive model

中圖分類號:TU391

文獻標識碼:A

文章編號：1001-7445(2016)01-0074-09

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0074

通訊作者：張克實(1954—),男，廣西桂林人，廣西大學教授，博士生導師，工學博士; E-mail: zhangks@gxu.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(11272094)；廣西區研究生教育創新計劃項目(YCB2014021)

收稿日期：2015-06-05；

修訂日期：2015-11-18

引文格式：李澤深，覃達威，張克實，等.不同構造T形鋼連接節點受力性能分析[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(1)：74-82.