箱形鋼柱插入式拼接節點受力性能研究

張振宇，王志杰，劉彥東，劉健康

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710056)

近年來，隨著建筑業用工成本上升和綠色建筑的推廣，工業化裝配式建筑逐漸成為當前建筑行業的發展趨勢[1，2]。鋼結構建筑具有工廠預制、現場安裝、材料輕質高強、運輸成本低和綠色低碳環保可循環利用的優勢，是建筑工業化的最佳載體[3-5]，也符合創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念[6]。目前，國內外學者對水平構件采用全螺栓剛性連接形式來實現裝配式鋼結構已有足夠研究[7，8]，但是對于豎向構件(尤其是箱形截面柱)的拼接研究相對欠缺[9-11]。本文借助ABAQUS分析軟件[12]，建立了一種箱形鋼柱插入式拼接節點有限元模型并對其進行受力分析，同時對影響其受力性能的參數進行研究，以期為該節點的設計應用提供參考。

1 節點強度、剛度判斷標準

箱形鋼柱插入式拼接節點由上、下法蘭板，高強螺栓，內套管等部件組成，內套管下端伸入下鋼柱內并與其內壁固定為一體，內套管上端插入上鋼柱中，然后采用高強螺栓將上下法蘭板緊固連接，如圖1所示。內套筒的作用首先是方便現場拼接，其次是通過內套筒的抗彎性能傳遞拼接節點處的彎矩，水平力則由法蘭接觸面的摩擦力傳遞。

圖1 箱形鋼柱插入式拼接節點組成

對其拼接節點的受力性能進行分析，首先要判斷其能否滿足構件強度要求及剛度連續的假定。采用《鋼結構設計標準》(GB 50017—217)[13]8.1.1條作為節點強度的判斷依據，但在剛度判斷標準方面，我國規范并未明確節點彎矩-轉角曲線的計算方法，因此，本文參考歐洲規范(EC3)[14]中節點剛度的分類方法作為剛度依據。

2 節點的有限元模型

2.1 模型建立

利用節點的對稱性，有限元模型建立時只取一半的節點，對拼接節點的不同部位分別建模，如圖2所示，節點模型由上柱、下柱、內套管、高強螺栓、法蘭板組成。

2.2 單元選取和網格劃分

有限元模擬應考慮材料、幾何及狀態的非線性，同時對于模型中的接觸進行模擬，為有效解決剪切自鎖問題需要使用非協調模式單元，因此有限元模型中采用C3D8I單元(8節點六面體線性非協調單元)模擬節點所有組件。

圖2 拼接節點有限元模型

在柱拼接處螺栓和螺栓孔等截面形狀不規則區域和關鍵部位網格劃分較密，以便更好地觀察應力分布情況。

2.3 材料的本構關系

在有限元模型中，柱、法蘭盤及內套管均采用Q345B鋼材，螺栓采用10.9級高強螺栓，所有鋼材材料模型采用雙線性+非線性強化材料模型[15]，其材料模型表達式如下：

所有試件的材性指標見表1。由于ABAQUS中僅能接受材料的真實應力-應變關系，因此，將式(1)中材料的工程應力應變關系轉換為真實應力-應變關系。

σtrue=σnom(1+εnom)

(2)

表1 試件材性指標 MPa

2.4 接觸分析和螺栓預應力模擬

接觸方式采用的是綁定約束和面與面接觸。該模型中焊縫拼接板與翼緣的連接均采用綁定約束，螺栓桿與孔壁之間、螺栓帽與拼接板、翼緣與板件間以及板件與板件間的接觸均采用面-面接觸方式考慮。

對于拼接節點，螺栓的預拉力對拼接應力的影響是非常重要的。為了確保應力模擬的可靠性，通過ABAQUS中的荷載功能模塊在螺栓桿橫截面上施加螺栓預拉力。

2.5 邊界條件和非線性求解控制

為了確保有限元模型的邊界條件與實際相符，在柱底約束所有節點的X、Y、Z方向的平動和轉動自由度，以模擬柱底剛接的邊界條件。由于僅考慮半個節點進行模擬，因此，在模型對稱軸沿XZ平面定義對稱約束。耦合柱頂所有節點的平動自由度，同時對耦合節點施加X向位移，以模擬單調加載。

采用全Newton-Raphson法，該方法是將一個分析步分解為多個子步，使用子步依次增加載荷，進行非線性迭代求解的方法，每次迭代都對剛度矩陣進行修正，不但能提高計算結果的精確度，而且增強了求解的收斂性。

3 BASE試件受力性能分析

按照第2節所述的原則建立BASE試件有限元模型，通過分析得到該試件的荷載-柱頂位移關系曲線、極限荷載、破壞模式。

3.1 試件設計及受力模型

上下箱形鋼柱采用1000mm×40mm，內套管為900mm×20mm，上端插入深度500mm，法蘭板厚度50mm，采用10.9級摩擦型高強螺栓M30連接，如圖3(a)所示，試件受力模型如圖3(b)所示。

圖3 BASE試件尺寸及受力模型(mm)

3.2 荷載-柱頂位移關系曲線

有限元分析得到的BASE試件荷載-柱頂位移關系曲線如圖4所示。由圖4可知，試件經歷了彈性階段、彈塑性階段后達到其極限荷載，之后荷載下降，節點失去繼續承載的能力。將該曲線轉換為鋼柱插入式拼接節點的彎矩-轉角關系曲線，節點彎矩轉角關系曲線如圖5所示。由彎矩-轉角關系曲線的初始剛度可判斷該拼接節點是否滿足剛性連接的要求，由節點荷載-柱頂位移關系曲線可得該節點的主要力學特性見表2，同時表2中給出鋼柱強度及剛度需求值。

圖4 BASE試件荷載-柱頂位移關系曲線

圖5 BASE試件彎矩-轉角關系曲線

由表2中數據可知，按等強設計的鋼柱插入式拼接節點滿足強度及剛度要求。

表2 BASE試件的關鍵受力性能

3.3 破壞模式

BASE試件從開始加載到破壞過程中的變形及應力變化如圖6所示。從圖6中可見，在豎向荷載加載結束時，內套管并未參與受力。當節點承受水平荷載時，內套管開始受力，當水平荷載加載至屈服荷載時，上、下柱法蘭板緊密貼合，所有部件均處于彈性狀態。達到極限荷載時，上、下柱及內套管部分屈服，此時上、下柱法蘭板在節點受拉側有張開趨勢，內套管上部出現局部屈曲現象。隨著水平荷載繼續增大，上、下柱法蘭板在節點受拉側張開，內套管原有局部屈曲變形進一步加劇，節點承載力下降，試件破壞。由于法蘭厚度滿足等強要求，因此整個加載過程中未見法蘭彎曲。

圖6 BASE試件加載過程的變形及應力云圖

4 參數分析

在已有的BASE試件模型分析的基礎上，通過改變軸壓比、內套管長度、內套管厚度、法蘭板厚度及螺栓預拉力等參數設計了五組試件模型，并研究各組試件在單調荷載作用下的初始剛度、極限承載力及應力分布狀況。通過對比分析，得到各參數對箱形鋼柱插入式拼接節點受力性能的影響規律。

4.1 軸壓比

為分析柱軸壓比對拼接節點受力性能的影響，設計了ZYB系列試件，此系列試件與BASE試件相比，除柱軸壓比外，其他幾何參數均保持不變。由圖7可知，隨著軸壓比增大，所有ZYB試件均經歷了與BASE試件相似的變形過程。當軸壓比為0.3和0.4時，試件荷載-位移曲線趨于重合，鋼柱插入式拼接節點的性能趨于穩定。當軸壓比繼續增大時，節點初始剛度會有小幅度提高，但其連接承載力幾乎趨于不變。從表3可知，試件的屈服位移和屈服荷載隨軸壓比的增大而增大，極限位移則呈降低趨勢，但極限荷載隨軸壓比增大。以上分析表明：軸壓比在0.2～0.4之間時能滿足初始剛度及承載力要求，且隨著軸壓比增大節點初始剛度及承載力略有提高。

圖7 ZYB系列試件的荷載-柱頂位移關系曲線

表3 ZYB系列試件的關鍵受力性能

4.2 內套管外伸長度

為分析內套管外伸長度對拼接節點受力性能的影響，設計NTB系列試件，此系列試件與BASE試件相比，除內套管外伸長度外，其他幾何參數均保持不變，結果如圖8所示。由圖8可知，各試件荷載-位移曲線在開始加載時基本重合，隨著荷載增大，內套管外伸長度較小的試件NTB0.25剛度明顯降低，在較低的荷載下達到極限承載力，但對于內套筒外伸長度大于柱外輪廓尺寸0.5倍的其他試件，在試件屈服前，各試件荷載-位移曲線仍保持基本重合。NTB系列試件的關鍵受力性能見表4，試件屈服荷載、極限位移、極限荷載均及初始剛度均隨內套管外伸長度增大而增大。增長速度均為前期增長較快，后期增長緩慢。以上分析表明：適當提高內套管外伸長度可以提高拼接節點的承載力和剛度，但從經濟性及安裝角度考慮，建議內套管外伸長度取柱外輪廓尺寸的0.5～0.8倍。

4.3 內套管厚度

為分析內套管厚度對拼接節點受力性能的影響，設計NTT系列試件，此系列試件與BASE試件相比，除內套管厚度外，其他幾何參數均保持不變，結果如圖9所示。由圖9可知，各試件在屈服前荷載-位移曲線基本重合，當內套筒厚度大于0.6倍柱壁板厚度時，在達到試件極限承載力后，荷載-位移曲線下降緩慢。NTT系列試件的關鍵受力性能見表5，隨著內套管厚度增大，試件的屈服位移、屈服荷載、極限位移、極限荷載均及初始剛度均隨內套管厚度增大而增大。增長速度均為前期增長較快，后期增長緩慢。以上分析表明：適當提高內套管厚度可以提高拼接節點的承載力和剛度，但從經濟性及安裝角度考慮，建議內套管厚度為箱形柱壁板厚度的0.6～1.0倍。

表4 NTB系列試件的關鍵受力性能

圖8 NTB系列試件荷載-柱頂位移關系曲線

圖9 NTT系列試件荷載-柱頂位移關系曲線

4.4 法蘭板厚度

為分析法蘭板厚度對拼接節點受力性能的影響，設計FLT系列試件，此系列試件與BASE試件相比，除法蘭板厚度變化外，其他幾何參數均保持不變。有限元分分析結果表明：加大法蘭板厚度可以提高拼接節點的承載力和剛度，但提高幅度有限，因此，建議法蘭板厚度應取柱壁板厚度的0.6～1.0倍。

4.5 螺栓預拉力

施工過程中由于操作原因，可能發生螺栓漏擰或緊固力矩不滿足設計要求的情況，這都會導致螺栓預拉力不能達到其設計值。為分析螺栓預拉力對拼接節點受力性能的影響，設計BIF系列試件，此系列試件與BASE試件相比，除螺栓預拉力大小外，其他幾何參數均保持不變。有限元分分析結果表明：按照設計值施加螺栓預拉力可以提高拼接節點的后期承載力和剛度，因此，建議實際設計及施工過程中，應按設計值對螺栓施加預拉力。

表5 NTT系列試件的關鍵受力性能

5 結 論

1)軸壓比在0.2～0.4之間時能滿足初始剛度及承載力要求，且隨著軸壓比增大節點初始剛度及承載力略有提高。

2)適當提高內套管外伸長度可以提高拼接節點的承載力和剛度，但從經濟性及安裝角度考慮，建議內套管外伸長度取柱外輪廓尺寸的0.5～0.8倍。

3)適當提高內套管厚度可以提高拼接節點的承載力和剛度，但從經濟性及安裝角度考慮，建議內套管厚度為箱形柱壁板厚度的0.6～1.0倍。

4)加大法蘭板厚度可以提高拼接節點的承載力和剛度，但提高幅度有限，因此，建議法蘭板厚度應取柱壁板厚度的0.6～1.0倍。

5)按照設計值施加螺栓預拉力可以提高拼接節點的后期承載力和剛度，建議實際設計及施工過程中，應按設計值對螺栓施加預拉力。