鋼結構螺栓節點力學特性敏感性分析

摘 要：鋼結構螺栓節點受力特性一直是相關領域研究的重點和難點。本文通過試驗和數值模擬手段對其進行研究，并對比了試驗結果和數值模擬結果的差異。結果表明：與試驗結果相比，數值模擬結果在數值和變化趨勢上都較為接近，差幅在5%內，證明本文建立的有限元數值模型是合理、有效的。剛度比參數對螺栓節點的影響主要體現在數值方面，并不改變其隨轉角的變化趨勢。節點彎矩與剛度比呈現負相關關系，隨剛度比增加而減少。轉角彎矩隨鋼材屈服剛度增加而減少，且位移持續減少。墊板厚度對螺栓節點彎矩影響較小，主要體現在墊板區域的受力分布方面。

關鍵詞：鋼結構；螺栓節點；剛度比；數值模擬

中圖分類號：TU 39 " 文獻標志碼：A

隨著我國基建行業的發展和城市化的推進，大跨度鋼結構工程項目越來越多。因此，針對鋼結構的力學特性和相關設計，許多研究人員進行了一系列研究。

丁文其等[1]提出了波紋鋼結構N-M-T（軸力-彎矩-溫度）曲面，對波紋鋼結構在高溫下的壓彎性態進行了研究。徐言等[2]提出一種膜材自動脫落裝置的概念構造設計，并利用數值計算方法探究了裝置夾角和抗拔深度對承載力的影響。謝甫哲等[3]對復雜空間鋼結構多點同步提高施工與監測技術進行了研究，分析了同步提高和不同步提高情況下結構的受力狀態。楊雪等[4]基于midas Gen軟件建立結構整體單尺度模型及包括關鍵節點的多尺度模型，探討了結構的穩定性、動力響應等力學性能。趙躍港等[5]采用有限元數值模擬工具分析了3種不同施工方案，對比了不同方案對主體鋼結構受力、變形及支撐結構最大支反力的影響。劉勇等[6]采用數值模擬手段分析了地震荷載作用下不同節點的受力情況及結構動力特性。

本文對室內模型試驗和數值模擬進行了研究。通過室內試驗數據驗證了模型的有效性，并根據已驗證的模型對影響鋼結構螺栓節點力學性能的因素進行了分析和討論。

1 試驗概況

本文研究對象為鋼結構新型柱-柱螺栓節點，內框架柱下端的方形槽內結構由上至下依次為定位板、定位筒以及下端板。在下部模塊中，內框架柱上端的方形槽內則焊接有多個上端板，并設置墊塊于上下模塊之間（圖1）。梁柱截面尺寸均為150mm×150mm×8mm，其中，梁長度為1.5m，柱長度為1m，均為冷彎方鋼管柱。墊板和上端板厚度均為30mm，下端板厚度為15mm，斜加勁肋厚度為10mm。螺栓為45號鋼，其余材料鋼材均為Q235B，焊縫為E43。表1為鋼材的力學參數。

為探究柱在軸壓作用下內置螺栓節點的抗彎性能，本文進行抗彎試驗研究。試驗對象由四梁四柱連接而成，采用液壓千斤頂在梁兩端進行同步對稱加載，加載方式由荷載控制。通過施加恒定壓力于柱頂模擬柱軸力，將軸壓荷載設為540kN。

2 有限元數值模型

2.1 模型建立

采用有限元數值模擬軟件進行三維建模，根據試驗數據對模型有效性進行驗證，對內置螺栓節點性能以及主要影響因素進行探究。

根據室內試驗結果對鋼材力學計算參數進行取值，將泊松比設為0.3，摩擦系數為0.2，屈服條件遵循mises屈服準則。當進行網格劃分時，對螺栓節點進行局部網格加密處理，共劃分93427個10節點有限元網格，圖1為該有限元模型的網格劃分情況。

在建模過程中，為提高計算效率，同時不影響計算精度，可以忽略定位板和定位筒設定，同時，將上端板設置為3塊，下端板為1塊。在接觸條件方面，將下端板與螺栓的接觸條件設置為滑移接觸，通過綁定連接模擬焊縫連接。在邊界條件方面，施加平面外約束于梁側面，通過預緊力固定螺栓，固定后在每個柱施加267kN的軸力，梁兩側加載方式為位移控制，加載位移為100mm。

2.2 模型驗證

圖2為梁節點彎矩隨轉角的變化曲線對比情況。從圖中可以看出，在試驗工況中，當轉角小于0.02rad時，隨著梁轉角增加，節點彎矩呈現線性增加變化趨勢，當轉角超過0.02rad時，彎矩隨轉角增加速率大幅下降，增加速度較為緩慢，表明此時材料已進入強化階段，其峰值彎矩達到172.4kN?m，對應的轉角約為0.04rad。

與試驗結果相比，數值模擬結果在數值和變化趨勢上都較為接近，說明本文建立的鋼結構螺栓節點力學分析模型的合理、有效性。在進入強化階段后，彎矩數值模擬計算結果比試驗結果略大，在轉角為0.04rad的工況下，彎矩試驗結果為176.7kN?m，數值模擬計算結果為182.1kN?m，差值約為3.1%。在數值模擬中仍存在一系列理想化假定，例如本構計算模型和變形約束條件假定以及未考慮材料的各向異性等，但整體而言，數值模擬結果與試驗結果差幅在5%以內。本文建立的數值模型是研究鋼結構螺栓節點力學特性的有效工具。

3 結果分析與討論

采用研究模型對鋼結構螺栓節點力學性能的影響因素進行探究，包括上下梁剛度比、鋼材屈服強度和墊板厚度，并對其進行對照模擬。初始條件的上下梁剛度比為1.0、鋼材屈服強度為309MPa，墊板厚度為30mm。

3.1 剛度比影響

圖3為5種不同地板梁、天花板梁剛度比工況下鋼結構螺栓節點的轉角-彎矩變化曲線。從圖中可以看出，不同剛度比工況下的節點彎矩隨轉角的變化趨勢基本一致，當前期轉角小于0.02rad時，隨著梁轉角增加，節點彎矩呈線性，當轉角超過0.02rad時，曲線變緩，各工況差異主要為數值差異。隨著地板梁與天花板梁剛度比增加，相同節點轉角工況下的彎矩隨之變小，節點彎矩與剛度比呈負相關關系。在剛度比為1.0的工況下，轉角0.02rad時對應的節點彎矩為251.2kN?m，在剛度比為1.5的工況下，轉角0.02rad時對應的節點彎矩為228.1kN?m，比前者減少了9.2%；在剛度比為2.0工況下，轉角0.02rad時對應的節點彎矩為204.3kN?m，比前者減少了10.4%，在剛度比為2.5的工況下，轉角0.02rad時對應的節點彎矩為184.5kN?m，比前者減少了9.7%，在剛度比為3.5的工況下，轉角0.02rad時對應的節點彎矩為154.7kN?m，比前者減少了16.2%。

表2為5種工況下初始抗彎強度、屈服彎矩和塑性彎矩的變化情況。從表2可以看出，增加地板梁與天花板梁的剛度比會使節點的抗彎承載力明顯提高，但與此同時，隨著地板梁高度增加，下柱的塑性區范圍也隨之變大，會對結構安全造成影響。

3.2 屈服強度影響

圖4為兩種不同鋼材屈服強度工況下的節點轉角-彎矩曲線，分別為Q235鋼和Q345鋼，屈服強度分別為309MPa和400MPa。從圖中可以看出，隨著鋼材屈服強度增加，相同轉角位移條件下轉角彎矩減少，鋼材屈服強度與節點彎矩呈負相關關系。同時，鋼材彈性變化階段亦存在差異，隨著鋼材屈服強度增加，節點轉角-彎矩線性變化階段持續位移減少，即當位移較小時，節點彎矩就達到穩定狀態，隨著節點轉角增加彎矩增加緩慢或不再增加。在Q235鋼材工況下，節點彎矩峰值達到了226kN?m。在Q345鋼材工況下，節點彎矩峰值為178kN?m，比前者降低了21.2%，由此可見，鋼材屈服強度對螺栓節點力學性能也有較為明顯的影響。

表3為2種工況下初始抗彎強度、屈服彎矩和塑性彎矩的變化情況。從表3可以看出，兩種工況下螺栓節點初始抗彎剛度完全一致，主要差異在節點屈服彎矩和塑性彎矩方面。在Q235鋼材工況下，螺栓節點屈服彎矩為151.4kN?m，塑性彎矩為176.8kN?m，在Q345鋼材工況下，螺栓節點屈服彎矩為212.6kN?m，塑性彎矩為227.6kN?m，比前者分別增加了40.4%和28.4%。這也驗證了上述分析結論，即鋼材屈服強度對螺栓節點力學性能也有較為明顯的影響，具體體現在屈服彎矩和塑性彎矩方面。

3.3 墊板厚度的影響

圖5為不同墊板厚度工況下的節點轉角-彎矩曲線。從圖中可以看出，與上下梁剛度比和屈服強度相比，墊板厚度影響較小。在3種工況下，螺栓節點彎矩隨轉角變化趨勢基本一致，先線性增加后逐步穩定，主要差異為數值差異。在相同轉角條件下，墊板厚度越大對應的節點彎矩越大，同時節點剛度、屈服彎矩和塑性彎矩也越大，但差異較小。表明墊板厚度主要是對墊板區域的受力情況有較為明顯的影響。

4 結論

為研究鋼結構螺栓節點力學特性和相關影響因素，本文通過加載試驗和數值仿真模擬，驗證了數值模型的有效性，同時對鋼結構螺栓節點力學特點進行探究。得出以下結論。1）不同剛度比工況下的螺栓節點彎矩隨轉角的變化趨勢基本一致，當轉角超過0.02rad時，曲線變緩，各工況差異主要為數值差異。隨著地板梁與天花板梁剛度比增加，相同節點轉角工況下彎矩隨之減少，節點彎矩與剛度比呈負相關關系。2）隨著鋼材屈服強度增加，相同轉角位移條件下轉角彎矩減少，鋼材屈服強度與節點彎矩大小呈負相關關系。鋼材彈性變化階段亦存在差異，隨著鋼材屈服強度增加，節點轉角-彎矩線性變化階段位移持續減少。3）與上下梁剛度比和屈服強度相比，墊板厚度對其影響較小。墊板厚度主要是對墊板區域的受力情況有較為明顯的影響。

參考文獻

[1]丁文其，馬暢，劉常浩，等.波紋鋼結構高溫壓彎性態數值模擬與理論分析[J].工程機械與維修，2024（3）：11-13.

[2]徐言，王仲迪.強風作用下大跨度屋蓋膜結構自動脫落裝置概念設計及受力分析[J].工業建筑，2023，53（增刊2）：289-294.

[3]謝甫哲，陳丙輝，袁小軍，等.復雜空間鋼結構多點同步提升施工與監測技術研究[J].建筑結構，2023，53（14）：126-131.

[4]楊雪，王金龍，劉宇雄，等.基于多尺度模型大懸挑鋼結構力學性能分析[J].長沙理工大學學報（自然科學版），2023，20（2）：137-145.

[5]趙躍港，賀子奇，張花杰，等.空間管桁架鋼結構體育館吊裝施工方案對比分析[J].河南大學學報（自然科學版），2023，53（2）：244-252.

[6]劉勇，魏珍中，劉佳敏，等.裝配式鋼結構配套外掛墻板連接節點受力性能分析[J].山西建筑，2022，48（23）：10-14.