加強型單邊螺栓連接節點靜力性能有限元分析

李德山，王志濱（福州大學土木工程學院，福建福州350116）

加強型單邊螺栓連接節點靜力性能有限元分析

李德山，王志濱
（福州大學土木工程學院，福建福州350116）

以鋼管混凝土柱－鋼梁單邊螺栓連接節點往復加載試驗研究為基礎，采用ABAQUS軟件建立非線性有限元模型，探討節點核心區構造措施對節點彎矩－轉角曲線的影響規律.研究結果表明：節點核心區外焊槽鋼或內置短H鋼能顯著提高節點抗彎承載力；加強型單邊螺栓連接節點為半剛性連接、部分強度節點；增大外槽鋼厚度、外槽鋼強度、內H鋼厚度、內H鋼強度均能有效提高節點抗彎承載力.

鋼管混凝土；鋼梁；單邊螺栓；加強構造；有限元分析

近年來，螺栓連接節點受到研究工作者的廣泛關注，相對于焊接連接，螺栓連接具有施工方便和連接質量可靠等優點，具有良好的工程應用前景［1－2］.單邊螺栓作為一種新型緊固件，可以從鋼管外側進行單邊擰緊，施工操作方便，解決了普通螺栓難以在閉合截面中應用的缺點，是連接鋼管混凝土柱與鋼梁的一種有效方法.目前，已有一些學者針對該類新型節點開展了研究工作，現有研究結果表明，鋼管混凝土柱－鋼梁單邊螺栓連接節點抗震性能良好，節點一般為半剛性連接［3－6］.對于單邊螺栓連接節點，鋼管壁通常為節點的薄弱區域，管壁在螺栓拉力作用下容易發生較大的面外變形，節點抗彎承載力及初始轉動剛度較低.針對上述問題，Wang等［7］提出相應加強構造措施，節點核心區焊接槽鋼或者內置短H鋼能顯著提高節點抗彎承載力及耗能能力.本文在相關試驗研究的基礎上，采用ABAQUS 軟件建立有限元模型，探討核心區構造措施對節點力學性能影響規律.

1 有限元模型的建立

1.1 材料本構模型

高強螺栓應力－應變關系采用雙折線模型，軟鋼應力－應變關系采用二次塑流五段線模型［8］，混凝土受壓應力－應變關系采用方鋼管混凝土本構模型，具體數學表達式詳見文獻［8］，混凝土受拉軟化性能采用能量破壞準則定義.

1.2 網格劃分及接觸關系

鋼梁采用縮減積分殼單元S4R模擬，節點的其他部件采用六面體非協調實體單元C3D8I模擬.有限元模型主要接觸對包括：鋼管與混凝土、鋼管與端板、螺栓與鋼管、螺栓與端板、螺栓與混凝土、螺栓與外槽鋼或內H鋼、內H鋼與鋼管、內H鋼與混凝土.ABAQUS中各接觸對界面法線方向采用硬接觸模擬，界面切向力學行為采用庫倫摩擦模型，摩擦系數均取0.3.鋼梁與端板的焊接關系、外槽鋼與鋼管的焊接關系均采用綁定約束TIE模擬.

1.3 荷載及邊界條件

首先，采用ABAQUS中Bolt Load對單邊螺栓施加預緊力；然后，在柱端施加軸壓荷載；最后，在梁端施加橫向荷載，采用位移加載模式進行計算，鋼管混凝土柱兩端邊界條件為鉸接.

圖1 節點荷載－位移曲線對比Fig.1 Comparison of load－displacement curves

1.4 有限元模型驗證

基于文獻［7］中2個鋼管混凝土柱－鋼梁單邊螺栓連接節點的荷載（P）－位移（Δ）滯回曲線的骨架線，對有限元模型進行必要的驗證.有限元計算結果與試驗結果的對比，如圖1所示.單調加載模擬獲得的曲線與節點“P－Δ”滯回曲線骨架線吻合良好，驗證了有限元模型的合理性和計算精度.

2 參數分析

基于工程常用參數范圍，設計典型中間層中柱節點，探討單調靜力加載條件下關鍵參數對節點力學性能的影響規律.為進行力學性能對比，設計無構造措施節點、核心區外焊槽鋼節點及核心區內置短H鋼節點.

方鋼管混凝土柱截面尺寸為400mm×400mm×10mm，柱高為3 800mm；鋼梁截面尺寸為400 mm×200mm×8mm×10mm，鋼梁跨度為6 000mm；平齊式端板截面尺寸為430mm×250mm×18 mm.對于加強型節點，單邊螺栓采用8.8級HB 20－2型Hollo Bolt；對于無構造措施節點，單邊螺栓采用8.8級HB 20－1型Hollo Bolt.兩種型號的螺栓區別在于螺桿長度不同，相應能夾緊的鋼板厚度也不同，螺栓具體尺寸參見文獻［9］.外槽鋼長度為430mm，厚度為10mm；內H鋼截面尺寸為380mm× 250mm×10mm×10mm，長度為430mm；節點鋼材強度均取為Q345；核心混凝土強度等級為C60；柱軸壓比n＝N／Nu＝0.4，其中，N為柱端軸壓力；Nu為無構造措施鋼管混凝土柱穩定極限承載力.

整體節點有限元模型示意圖，如圖2所示.實際計算分析時，采用1／4模型進行計算，在模型兩個對稱面上施加對稱邊界條件.首先，對單邊螺栓施加預緊力；其次，在鋼管混凝土柱端施加軸壓力；最后，在梁端施加同向單調荷載，鋼管混凝土柱兩端邊界條件為鉸接.

節點彎矩（M）－轉角（θ）曲線對比，如圖3所示.由圖3可知：單邊螺栓連接節點具有良好的轉動能力，延性較好；節點無構造措施時，抗彎承載力較低，節點核心區外焊槽鋼或內置短H鋼顯著提高節點抗彎承載力；根據EC3規范進行節點分類［10］，3種單邊螺栓連接節點均為半剛性連接、部分強度節點.

外焊槽鋼節點及內置短H鋼節點破壞模態，如圖4所示.由圖4可知：在梁端橫向荷載作用下，平齊式端板與外槽鋼或管壁脫開，出現明顯間隙；外焊槽鋼或內置短H鋼兩種構造措施均有效提高節點

圖2 節點有限元模型Fig.2 Finite element model of connection

圖3 節點彎矩－轉角曲線對比Fig.3 Comparison of moment－rotation curves

核心區整體性，管壁穩定性得到較大提高，管壁面外變形較小.

圖4 節點破壞模態Fig.4 Failure mode of connections

各參數對節點彎矩（M）－轉角（θ）曲線影響，如圖5～7所示.軸壓比對加強型節點彎矩（M）－轉角（θ）曲線影響，如圖8所示.

圖5 外焊槽鋼節點參數分析Fig.5 Parameter analysis of outer channel connection

圖6 內置短H鋼節點參數分析Fig.6 Parameter analysis of inner H steel connection

由圖5～7可知：節點抗彎承載力隨外槽鋼或內H鋼厚度的增大而提高.這主要因為節點核心區設置構造措施之后，鋼管局部穩定性得到較大提高，同時，鋼管對核心區混凝土的約束效果也明顯增大；增大外槽鋼或內H鋼強度，節點抗彎承載力也呈現逐漸增大的趨勢；外槽鋼長度、內H鋼長度、內H鋼寬度對節點彎矩（M）－轉角（θ）曲線影響不明顯.

圖7 內置短H鋼寬度參數分析Fig.7 Parameter analysis of inner H steel width

圖8 軸壓比參數分析Fig.8 Parameter analysis of axial compression ratio

由圖8可知：軸壓比對節點力學性能影響很小，說明節點核心區設置構造措施之后，管壁穩定性增強，即使在高軸壓比條件下，節點仍表現出良好、穩定的力學性能.

3 結論

1）單邊螺栓連接節點具有良好的延性；加強型節點屬于半剛性連接、部分強度節點.

2）節點外焊槽鋼或內置短H鋼能大幅度增強核心區整體性，有利于各組件協同工作，提高節點力學性能.

3）外槽鋼長度、內H鋼長度、內H鋼寬度對節點力學性能影響不明顯；節點抗彎承載力隨著外槽鋼厚度、外槽鋼強度、內H鋼厚度、內H鋼強度的提高而逐漸增大.

4）軸壓比對節點彎矩－轉角曲線影響很小，即使在高軸壓比條件下，節點仍表現出良好、穩定的力學性能.

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［8］ 韓林海.鋼管混凝土結構：理論與實踐［M］.北京：科學出版社，2007：66－111.

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（責任編輯：陳志賢 英文審校：方德平）

Finite Element Analysis on Static Behavior of Blind Bolted Joints With Reinforcing Components

LI Deshan，WANG Zhibin
（College of Civil Engineering，Fuzhou University，Fuzhou 350116，China）

Based on the cyclic loading experiment of concrete filled steel tubular column（CFST）－steel beam blind bolted joints，nonlinear finite element models were built by ABAQUS software，the influence of reinforcing components on bending moment－rotation curves were discussed.The research results show that，the flexural bearing capacity of the joints can significantly enhanced with welding channel or installing inner H steel.The reinforced joints can be classified as semi－rigid and partial strength connection.The flexural bearing capacity of the joints can be improved with the increase of the thickness or the strength of channel steel，the similar effect can be achieved by increasing the thickness of inner H steel or increasing the strength of inner H steel.Keywords： concrete filled steel tubular column；steel beam；blind bolt；reinforcing components；finite element analysis

TU 398

A

1000－5013（2016）04－0427－04

10.11830／ISSN.1000－5013.201604007

2015－12－21

王志濱（1979－），男，副教授，博士，主要從事組合結構的研究.E－mail：wangzhibin＠fzu.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目（51308124）