钢结构T型连接节点受力性能试验研究

刘秀丽，王 燕，李美红，韩明岚

（青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033）

近年来，地震带来的房屋倒塌灾害越来越受到人们的重视和关注，随着经济发展和钢产量的大幅提升，钢结构作为一种抗震性能优越的结构形式得到了工程界的青睐．而焊接连接在抗震中表现出来的脆性破坏比较复杂，难以较好的控制和避免，高强度螺栓连接形式具有施工安装简单，承载力高，抗震性能优良等特点，在工程中得到了较为广泛应用．T型连接是以受拉高强度螺栓作为主要传力构件的一种节点形式(如图 1)，具有明显的半刚性特征，在多高层框架及轻型门式刚架等结构形式中应用较为广泛[1-2]．

图1 T型件连接Fig.1 T-stub connections

国外针对T型连接节点受力性能开展了大量试验和理论研究，提出了撬力计算模型及螺栓拉力计算模型[3]，对T型连接翼缘刚度及螺栓刚度及其发展情况进行了分析[4]，提出了评估T型连接塑性变形能力的理论模型[5-6]．国内针对T型连接受拉螺栓设计方法仍在热点讨论，作者[7-8]通过外伸端板连接节点有限元分析结果，给出了外伸端板等效T型件连接撬力分布模型，提出了修正的螺栓拉力计算方法．陈绍蕃[9]通过理论分析，提出了T型件连接理论模型撬力计算简化公式．赵伟等[10]进行了T型连接试验研究，重点研究了加劲肋对节点受力性能的影响．为深入研究T型连接节点受力机理及螺栓受力性能，本文进行了10个足尺T型连接试件试验研究，研究了T型连接节点构造形式对承载力影响的敏感程度，分析了高强度螺栓拉力的变化情况，研究结果可为T型件连接构造设计及受拉高强度螺栓精细化分析提供参考．

1 试验概况

1.1 试验试件设计

本文设计了6组共10个足尺T型连接节点模型，如图2所示．每个T型连接采用两个剖分T型钢，通过4个高强度螺栓连接而成．采用剖分T型钢可以有效避免焊缝带来的尺寸和角度误差及残余应力、变形等影响．节点设计参数如表1所示，螺栓间距满足现行钢结构设计规范及施工要求．其中，T1试件从剖分T型钢TW 150×300×12×12截取，T3从剖分T型钢TW 300×300×12×20截取，其余试件均从剖分 T型钢 TW 300×300×12×17截取．图2所示的剖分T型钢材料特性为：屈服强度278.85 N/mm2，抗拉强度439.39 N/mm2(板厚≤16 mm)；屈服强度 266.54 N/mm2，抗拉强度 435.15 N/mm2(板厚＞16 mm)．(材性试验如图3示)

图2 试验试件Fig.2 Test specimen

图3 材性试验Fig.3 Material characteristic tests

表1 试件参数Tab. 1 Parameters of test specimens

螺栓采用10.9级摩擦型高强度螺栓，螺栓直径为 M16、M20．根据《钢结构工程质量验收规范》(GB50205-2001)，采用施工扭矩扳手对高强度螺栓施加预拉力．直径为M16、M20的10.9级摩擦型高强度螺栓预拉力值分别为100 kN、150 kN．

1.2 加载及测量

T型连接试件采用100 t液压式万能材料试验机进行单向静力加载试验．T型件腹板直接由试验机夹具夹紧施加拉力，试验装置如图4所示．外加荷载直接由液压式万能材料试验机采集，为更好的观察试件变形及采集应力，试验采用缓慢分级加载，每50 kN采集一次数据．

图4 试验加载装置Fig.4 Loading device

为了研究高强度螺栓受力性能，在T型连接对角的两个螺栓杆粘贴应变片．应变片在螺栓杆两侧对称小槽中粘贴，导线由螺栓头开孔引出，如图 5所示．安装时让螺栓杆两侧应变片连线垂直于T型连接腹板平面．应变片数据由静态应变测量系统DH3815N采集．

图5 高强度螺栓示意图Fig.5 Details of high strength bolts

在保证试验目的前提下考虑试验条件，当出现构件断裂(主要是螺栓可能发生)、应变片翘起失效、试件不能继续增加荷载的情况之一时即停止试验．

2 试验现象

试验中发现，不同构造连接节点破坏过程类似，以 T2试件为例描述试验过程．外加荷载达到屈服荷载435.7 kN之前，试件未出现肉眼可见的变形，T型件翼缘之间保持贴合状态，试件处在弹性阶段．荷载超过435.7 kN之后，T型件翼缘开始出现塑性变形，随荷载增加塑性变形持续增加，翼缘之间由于塑性变形呈现“张口”现象，当荷载达到极限荷载 540.6 kN时，翼缘间最大间隙达到 6 mm．试件不宜继续加载，临近极限承载力状态．

图6、表2对各试件最大间隙及螺栓极限应变进行比较分析．

图6 试件破坏照片Fig.6 Failure of specimens

表2 试件最大间隙及螺栓极限应变Tab.2 Maximum gap of T-stub flanges and ultimate strain of bolts in test

T1～T3为T型件翼缘厚度逐渐增加的一组试件，极限状态下最大间隙及螺栓应变均随之减小．可见随着翼缘板厚度t增加，其刚度增强，有效阻止翼缘板弯曲变形，螺栓应变随之减小．T4、T2、T5为螺栓间距e1逐渐增加的一组试件．由于e1增加翼缘宽度增大，翼缘板刚度随之增强，故最大间隙随之减小．但当e1由45 mm增至50 mm时，最大间隙变化不显著，螺栓应变略有减小；由50 mm增至55 mm时，最大间隙减小比较明显，螺栓应变略有增加．可见e1增加至50 mm时更加有效减小螺栓应变．T2、T6为螺栓间距e2逐渐增加的一组试件，e2增大虽然翼缘宽度增加，但由于螺栓位置向翼缘外侧偏移，使得最大间隙增大，螺栓应变增加．可见增加e2不能有效减小螺栓应变．T7、T2为螺栓间距g增加的一组试件．最大间隙略有增大，不显著，螺栓应变减小．可见增加g可有效减小螺栓应变，但对翼缘变形无明显抑制作用．T8、T2、T9为螺栓间距s逐渐增加的一组试件，s由36 mm增至40 mm时，最大间隙无明显变化，螺栓应变减小，s增至45 mm时，最大间隙减小，螺栓应变略有增加．可见s增至45 mm时不能有效减小螺栓应变．T2、T10为螺栓直径增加的一组试件，最大间隙明显减小，螺栓应变增大．由于螺栓直径增大，预拉力增大，翼缘板连接更加紧密，故最大间隙减小．可见，T型件在外力的作用下翼缘出现弯曲变形产生撬力作用，其影响程度随构造因素的变化而不同．

3 试验结果分析

3.1 试件承载力及变形

图7为试验试件荷载-位移曲线，可以看出，所有T型连接试件荷载-位移曲线规律基本一致．

图7 荷载-位移曲线Fig.7 Load-displacement curve

加载初期，试件与夹具之间的夹持力较小，荷载-位移曲线有一小段滑移，随荷载增加，试件与夹具间夹持力增大，荷载-位移曲线基本为线性增加，达到屈服荷载之后，出现强化阶段，位移随荷载增加速率加快，直至达到连接极限荷载．

文献[11]大部分有限元模型与本文试验试件相同，其有限元模型屈服荷载及极限荷载与试件试验结果比较见表3．

将不同构造形式的 T型连接试验试件荷载-位移曲线、承载力及变形进行比较分析可见，随着荷载增大，连接位移随之增大，T型件翼缘发生弯曲变形，表现出较强的塑性变形能力．随着T型件翼缘厚度t增加，试件极限承载力明显增加，且屈服位移明显减小．螺栓间距e1由45 mm增加至50 mm时承载力和屈服位移变化不明显，当增至55 mm时，极限承载力明显增加，屈服位移明显减小．螺栓间距e2增加时极限承载力及屈服位移均明显增加．螺栓间距g增加时极限承载力增加不如屈服位移增加显著．螺栓间距s增加对极限承载力及屈服位移影响均不明显．螺栓直径d增加可明显增加极限承载力，对屈服位移略有增加的影响．

表3 试件承载力及变形Tab.3 Bearing capacity and transformation of specimens

表 3试验试件与文献[11]有限元模型屈服荷载及极限荷载计算结果比较可见，二者吻合良好，除T6试件屈服荷载承载力误差略大于10%，其余试件误差均在10%之内，试验试件与有限元模型取得了较好的一致性．

3.2 T型件参数变化影响分析

荷载-位移曲线弹性阶段均接近直线，该直线段斜率可以反映T型连接承载力变化的快慢程度．定义荷载-位移曲线直线段斜率为敏感系数 k，取直线段起点为 1 点（F1，δ2），终点为 2 点（F2，δ2），敏感系数k计算如下：

比较各构造形式变化对T型连接承载力影响程度．敏感系数k随各构造参数变化曲线如图8所示．

从图8可见，翼缘厚度t增加，敏感系数k增大，但增加的幅度逐渐减小．e1变化时，敏感系数k变化不明显，e2增加，敏感系数k略有增加，g增加，敏感系数k略有下降．s增加，敏感系数k略有增加，增加幅度逐渐减小．d增加，敏感系数k下降．可见，翼缘厚度 t增加时敏感系数增大最明显，即其对 T型连接承载力影响最快，但增加幅度逐渐减小．螺栓间距变化对T型连接承载力影响较慢．螺栓直径d增加时端板相对变弱，承载力增加速率减慢，但由于螺栓直径增大，连接极限弯矩增大．

图8 敏感系数k变化曲线Fig.8 Curve of coefficient k

3.3 高强度螺栓拉力测试及分析

高强度螺栓所受到的拉力 Pf(为外加荷载产生的螺栓拉力Nt和撬力Q之和)是T型连接中最重要的受力性能，通过高强度螺栓杆应变片测量平均应

图9 高强度螺栓拉力Fig.9 Tensile force of high strength bolts

从表4和图9可以看出：

(1) 高强度螺栓拉力 Pf曲线变化规律基本一致，加载初期基本保持预拉力不变，当外力达到一定限值时翼缘板出现分离现象，曲线出现转折拐点，高强度螺栓拉力开始逐步上升，直至连接破坏．

(2) 图(a)可见，随着翼缘板厚度t增加，高强度螺栓拉力逐渐减小，较厚翼缘板刚度较大，可有效阻止翼缘板弯曲变形，从而减小杠杆作用产生的撬力影响．从曲线拐点及临近破坏极限状态的高强度螺栓拉力比较可见，翼缘板厚度由15 mm增至17 mm时，高强度螺栓拉力减小更加显著，翼缘板厚度由17 mm增至20 mm时，高强度螺栓拉力减小趋于平缓．可见，翼缘板厚度越大，其减小高强度螺栓拉力的幅度减弱．

(3) 从图(b)、(c)可见，随着螺栓间距 e1、e2增加，在曲线拐点处高强度螺栓拉力变化均不明显．在临近破坏状态，e1增加，高强度螺栓拉力随之减小．e2增加，高强度螺栓拉力随之增大．可见，考虑经济效益和螺栓受力有利的要求，宜采用最小构造 e2，可适当增大e1．

(4) 从图(d)、(e)可见，随螺栓间距 g增加，在曲线拐点及临近破坏状态，高强度螺栓拉力均出现下降．当螺栓间距s增加时，在曲线拐点处高强度螺栓拉力下降，在临近破坏状态时，s在40 mm时高强度螺栓拉力最大，减小或增加s均可降低高强度螺栓拉力．

(5) 从图(f)可见，螺栓直径d增大时，预拉力增加，在加载初期，高强度螺栓拉力均保持预拉力不变．直至曲线拐点处，两试件曲线几乎接近平行．可见在翼缘板出现分离的极限状态以前，撬力影响几乎相同，采用大直径未取得明显减小撬力的作用．临近破坏极限状态时，高强度螺栓拉力趋近相等，此时小直径高强度螺栓拉力增加幅度更加显著．

综上所述，翼缘厚度 t是影响高强度螺栓拉力最显著的构造因素，但翼缘板过厚时高强度螺栓减小幅度较小．螺栓间距e1增加亦可较明显减小高强度螺栓拉力，螺栓间距g，s变化对高强度螺栓拉力影响甚微，螺栓间距e2增加反而增大高强度螺栓拉力．螺栓直径d增大时由于初期高强度螺栓预拉力值较大，故高强度螺栓受力比较大，在临近破坏状态，小直径高强度螺栓拉力增加幅度更大．

4 结论

(1) 在外力作用下，T型件翼缘发生弯曲变形，表现出较强的塑性变形能力．

(2) T型连接构造形式变化对节点承载力产生不同程度影响，其中翼缘厚度 t对节点承载力影响最为敏感，但厚度越大影响幅度越小．高强度螺栓间距对承载力影响不显著．高强度螺栓直径d增加使翼缘板相对减弱，使得敏感系数减小．

(3) T型连接构造形式变化对高强度螺栓拉力产生不同程度影响．翼缘厚度影响最显著，随翼缘厚度增加高强度螺栓拉力下降，下降幅度逐渐减小．间距e1增加可较明显减小高强度螺栓拉力，间距e2增加反而增大高强度螺栓拉力，间距g，s变化对高强度螺栓拉力影响甚微．直径增加在临近破坏时可降低高强度螺栓拉力增加幅度．

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