鋼結構端板連接剛性節點力學性能影響因素研究

【中圖分類號】：TU391 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）05-50-06

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.05.012

Research on the Influencing Factors ofMechanical Performance of Steel Structure RigidEnd Plate ConnectionJoints

XIN Ningning1，WANG Guohui1，PENG Xiaochen2，LI Zhenyu2，LIU Chao1，RONG Bin2 （1.China2OthealurgicalGoupoorationLiited，ang9，hia;holfhiteureadCivilEing， Tianjin University，Tianjin，China）

【Abstract】：Inordertostudythe mechanical propertiesofmechanical performanceofstelstructurerigidend plateconnection joint，anonlinear finite element model withcomplicated contactwasestablishedand verified using availabletestdata.Five parameters affcting the strengthand initial stiffnessof theend-plate connection were examinedusing parametric analysis.The numericalanalysis reveals thatthe diameterof thehigh-strength bolts， thepretension forceofboltsand the thickness of the end plate stiffeners had significant effcts onthe initial stifess and ultimate bearing capacity，whilethe thickness of the column stiffning ribs has a greatereffct on the initial stiffness but limited effect on the ultimate strength.The column axial compression ratio has almost no effcton the performance of the joint.When designing rigid joints，it is importantto ensure thatthe minimum thicknessof the column stifeners is equal to the flange thickness of the beam.Additionally，the diameterof high-strength bolts should not be excessivelysmall，the thicknessof the end platestiffeners should be greater than the thickness of the beam web and the preload ofthe high-strengthbolts must be applied in accordance with the specified standards.

【Keywords】： end-plate;rigid joints；steel structure;mechanical properties

輕型房屋鋼結構作為一種發展迅速的新型結構形式，具有施工速度快、建筑造型美觀、用鋼量少、造價低等優點，被廣泛應用于各類工業和民用建筑中。端板連接節點是輕型房屋鋼結構應用最為廣泛的一種梁柱連接形式；該形式能夠有效減少現場焊接作業量，降低工程投資，具有很好的功能效益和經濟效益[1～3]

許多學者已對梁柱端板連接節點進行大量的研究，陳學森等4-5研究了端板厚度、高強螺栓直徑和數自對外伸加勁肋式端板連接節點受力性能的影響，結果表明：端板厚度對節點轉動剛度影響較大，高強螺栓直徑的影響相對較小。王永超對混合強度的外伸式端板連接節點抗震性能進行有限元模擬，考察端板強度、端板厚度和高強螺栓直徑對節點抗彎承載力和剛度的影響，研究結果表明：增大高強螺栓直徑、端板強度和厚度，可以提高節點抗彎承載力；增大高強螺栓直徑和端板厚度，可以提高節點初始轉動剛度。劉堅等建立了智能模型，選取了梁截面高度、柱截面高度、梁鋼材屈服強度、柱鋼材屈服強度、螺栓直徑、螺栓數目、端板厚度、端板長度、端板加勁肋長度、柱軸方向螺栓分布長度及螺栓屈服強度共計11個參數進行參數化研究，發現：智能模型預測結果對初始剛度和極限彎矩承載力的預測更接近試驗結果。

各國在規范中對節點的分類形式進行了說明，歐洲規范根據節點的初始轉動剛度將節點分為剛性節點，半剛性節點和鉸接節點，當初始轉動剛度 S_j，ini 大于25倍梁線剛度（無支撐框架）或8倍梁線剛度（有支撐框架）時，認為是剛性節點。美國規范根據節點彎矩-轉角曲線的割線剛度與梁線剛度的比值將節點劃分為完全約束和部分約束，當比值大于20時，認為是完全約束型節點；容許應力設計規范將節點分為剛性連接、部分約束連接和簡支連接，但沒有提出區分標準。我國規范將端板連接節點作為剛性節點的推薦形式，但未給出明確的設計方法。

研究的發展趨勢表明，對于端板連接節點通常認為是半剛性節點；對于端板連接剛性節點的力學性能，現階段研究較少且相關試驗數據缺乏。為保護節點核心區在使用過程中不發生破壞，改善受力性能，提高核心區剛度和承載力，符合“強節點弱構件\"的要求[，本文利用擴翼型梁翼緣提出一種剛性節點連接形式，探究其初始轉動剛度和極限承載力影響因素。

1模型的建立

擴翼型梁翼緣提出一種剛性節點連接形式見圖1。

圖1端板連接剛性節點形式

數值分析可以得到試驗測試中難以采集到的數據和現象，準確的有限元模型可以節省試驗成本，較為便利。本文采用ABAQUS通用有限元軟件對端板連接剛性節點進行有限元分析，并與試驗做了對比驗證。端板連接節點試件的各部件采用C3D8R單元。C3D8R單元是一種三維八節點六面體單元，具有較好的形變能力和應力解析能力，適用于多種分析場合；節點數較多，能夠更準確地刻畫復雜結構的變形和應力；具有較好的收斂性能和計算穩定性，能夠提供準確分析結果。

網格類型以六面體網格為主，過大的網格尺寸會導致計算結果不精確，而過小的網格尺寸又會導致模型收斂困難，因此網格尺寸按由大到小的原則逐步試算，當兩次劃分的計算結果誤差在 10% 以內時，取兩次網格大小的平均值。

有限元模型中的H型鋼梁、H型鋼柱和外伸端板采用雙折線模型[13]，螺栓采用10.9級摩擦型高強螺栓，應力-應變關系采用三線性模型[4]。所有材料均為各向同性，泊松比取0.3，采用 VonMises 屈服準則，材料屈服后采用流動理論。見圖2和見表1。

圖2應力-應變關系模型

表1鋼材主要力學性能指標

型鋼梁和柱間及螺栓和梁柱間的相互接觸作用，采用硬接觸來模擬相鄰表面之間的法向行為，采用罰函數來模擬相鄰表面之間的切向行為，庫侖摩擦系數取0.44。端板和鋼梁之間的焊縫連接使用“tie\"模擬。見圖3。

圖3節點有限元模型

節點邊界條件：柱釋放柱頂軸向方向的自由度以施加軸向壓力，其余自由度全部約束；梁側面施加 X 向和繞Z軸轉動的約束以限制梁的側移和扭轉，其余自由度全部釋放。

荷載施加順序也是影響有限元模型收斂與否的重要因素，共設置3個分析步：

第一步在高強螺栓上施加50N預緊力，使模型充分接觸；

第二步在柱頂中心施加豎向軸壓力并將高強螺栓預緊力修改至規定值；

第三步在梁端施加豎向位移，采用大變形靜力分析，即考慮二階效應，并選擇固定螺栓長度。

2模型驗證

為了驗證有限元模型的準確性和合理性，通過已發表論文中的試驗數據進行可行性驗證。但端板連接剛性節點的試驗研究尚未引起重視，缺乏相應的試驗數據進行對比；因此，選取相似的試驗結果來驗證有限元模型的合理性。

采用施剛進行的半剛性端板連接節點的試驗研究結果，對有限元模型進行驗證。破壞模式主要有端板屈服和螺栓拉斷，構件變形和破壞模式相同，彎矩-轉角曲線在極限彎矩值和初始轉動剛度值均可吻合。見圖4和圖5。

建立由長螺栓連接的工字形梁和填充混凝土矩形截面柱端板連接節點[5有限元模型，與試驗結果在破壞模式和荷載-梁端位移曲線方面進行了驗證。試驗和分析研究中出現了相似的破壞模式，主要集中在梁端削弱處，節點核心區表現出較大的剛度，預測的荷載-位移曲線與試驗結果曲線擬合良好。見圖6。

通過對比，可以認為有限元模型是相對精確的，可用于研究端板連接剛性節點的受力性能。

3參數化分析

以剛性節點形式為基礎，通過建立有限元模型，考慮柱加勁肋厚度、端板加勁肋厚度、軸壓比、螺栓直徑、螺栓預緊力5個參數對端板連接節點極限承載力 （P_u） 和初始轉動剛度 （K_i） 的影響，建立了17個模型。見表2。

表2參數化分析構件尺寸

3.1柱加勁肋厚度

當柱加勁肋厚度小于梁翼緣厚度時，加載過程中受壓區柱加勁肋會發生強烈的屈曲破壞，從而影響整體結構的穩定性；柱加勁肋厚度對極限承載力影響較小，但對初始轉動剛度影響較大，RC-13、RC-14的剛度相對于RC-11分別提高了 18.6% 和 19.7% ，而相對于RC只提高了 2.6% 和 3.5% 。見圖7。

在設計剛性節點時，柱加勁肋最低要與梁翼緣厚度相等，防止因局部屈曲破壞導致節點提前破壞。

3.2端板加勁肋厚度

隨著端板加勁肋厚度增加，構件的極限承載力和初始轉動剛度有較大的增加，端板加勁肋厚度從8mm 增加到 10mm 時極限承載力和初始轉動剛度增幅最大。見圖8。

圖8端板加勁肋對節點性能影響

可以預見，當端板加勁肋厚度過小時，會發生屈曲破壞而失去作用，當沒有端板加勁肋存在時，端板外伸部分會發生較大的彎曲變形；所以在設計剛性節點時，端板加勁肋的厚度要大于梁腹板的厚度，以保證其剛度。

3.3軸壓比

軸壓比是柱的軸壓力設計值與全截面面積的軸心抗壓強度設計值乘積的比值，反映柱的受壓情況。當軸壓比變化時，柱腹板應力與節點核心變形基本不變，軸壓比變化對極限承載力和初始轉動剛度的影響都不明顯，這是由于構件破壞主要是由端板彎曲屈服造成的，而不是柱受壓屈服，因此，軸壓比不是決定端板連接節點力學性能的因素。見圖9。

圖9軸壓比對節點性能影響

3.4高強螺栓直徑

設置螺栓直徑為 16、22、24、27mm ，并按規范施加對應螺栓直徑的預緊力，評價其對極限承載力和初始轉動剛度的影響。螺栓直徑的增大會使極限承載力和初始剛度增加。相對于RC構件，RC-42、RC-43和RC-44的極限承載力分別增大了 4.2%，10.2% 和30.3% ，初始轉動剛度分別增大了 1.6% 、 13.5% 和26.1% ;而RC-41的承載力和剛度相比RC急劇下降，此時受拉區螺栓應力較大，可能出現螺栓拉斷破壞，所以在設計剛性節點時高強螺栓直徑不能過小，否則會被拉斷整體產生受彎破壞。見圖10。

3.5螺栓預緊力

P₀ 為規范中規定的10.9級高強螺栓的預緊力。預緊力為 0.4P₀.0.7P₀ ，與預緊力為 P₀ 的連接相比，極限承載力分別降低 42.93%.5.63% ，初始轉動剛度分別降低 23.74%.3.66% ，當螺栓預緊力較小時，極限承載力和初始轉動剛度大幅下降，且構件進入塑性段后承載力會迅速下降。見圖11。

圖11螺栓預緊力對節點性能影響

高強螺栓預緊力是影響端板連接塑性的重要因素，預緊力不滿足要求時，連接部件之間會出現間隙和相對滑移；因此，滿足規范中規定的預緊力是非常重要的。

4結論

1）端板加勁肋厚度、高強螺栓直徑、螺栓預緊力對節點的初始轉動剛度和極限承載力有顯著影響。柱加勁肋厚度對初始轉動剛度影響較大，對極限承載力的影響有限，柱軸壓比對節點的力學性能幾乎沒有影響。

2）在設計剛性節點時，柱加勁肋厚度至少要與梁翼緣厚度相等，防正因局部屈曲破壞導致節點提前破壞；端板加勁肋的厚度要大于梁腹板的厚度，以保證其剛度；高強螺栓直徑不能過小，避免被拉斷整體產生受彎破壞；高強螺栓預緊力是影響端板連接塑性的重要因素，避免出現間隙和相對滑移。

參考文獻：

[1]王元清，石永久，陳宏，等.現代輕鋼結構建筑及其在我國的應用[J].建筑結構學報，2002，（1）：27-32.

[2]王元清，楊威.門式剛架輕型鋼結構在大空間建筑中的應用研究[J].工業建筑，2001，（2）：53-55.

[3]中國建筑金屬結構協會建筑鋼結構委員會，中國建筑標準設計研究所.門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程：CECS102：2002[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[4]陳學森，施剛，王東洋，等.超大承載力端板連接節點試驗研究[J].土木工程學報，2017，50（2）：36-43.

[5]陳學森，施剛，王東洋，等.超大承載力端板連接節點有限元分析和設計方法[J].土木工程學報，2017，50（3）：19-27+34

[6]王永超.混合強度梁柱端板連接半剛性節點力學性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2018.

[7]劉堅，肖海鵬，劉長江，等.外伸端板半剛性鋼結構連接節點的彎矩-轉角智能模型研究[J].建筑鋼結構，2023，25（6）：43-50.

[8]EN1993-1-8. Eurocode 3： Design of steel structures.Part 1.8：Design of joints [S]. 2002.

[9]ANSI/AISC36O-05. Specification for structural steel buildings.American institute of steel construction [S].Chicago，IL，2005.

[10]American institute of steel construction： Allowable stress de-sign specification for structural steel buildings [S].Chicago， IL，1989.

[11]中冶京誠工程技術有限公司.鋼結構設計規范：GB50017—2017[S].北京：中國建筑工業出版社，2017.

[12]王燕，馮雙，王玉田.鋼框架剛性連接加強型節點滯回性能試驗研究[J].土木工程學報201144（5）：57-68.

[13]HanL H， ZhaoXL，Tao Z. Testsand mechanics model for con-crete filled SHS stub columns， columns and beam-columns [J].Steel and Composite Structures，2001，1（1）：51-74.

[14]李艷嬌，李瑞敏.鋼框架梁柱外伸式端板連接的非線性有限元模擬[J].工程建設，2024，56（3）：34-38.

[15]施剛.鋼框架半剛性端板連接的靜力和抗震性能研究[D].北京：清華大學，2005.

[16]鐵道科學研究院.鋼結構用高強度大六角頭螺栓：GB T 1228—2006 [S]. 2006.