梁柱端板连接节点柱翼缘、柱腹板加强方法有限元分析

杨建林 葛金明

(1.江苏城乡建设职业学院管理工程系，常州213147;2.江苏筑森建筑设计有限公司，常州213000)

1 引言

目前不同形式的梁柱螺栓连接节点在钢框架结构中有着广泛的应用，然而螺栓连接节点的构造形式、不同类别的钢材属性以及荷载条件对节点的连接特性有着重要的影响，因此国内外存在大量的螺栓连接节点性能的研究，并针对其中的梁柱端板连接节点进行了相关的实验测试[1-3]和数值分析[4-5]。

美国北岭地震[6]与日本阪神大地震中许多梁柱焊接节点发生脆性破坏，因此对现有结构的加强成为一项重要的任务。螺栓连接抗弯节点一般采用横向加劲肋以避免柱子翼缘处出现破坏，通常在柱子腹板处焊接两块补强板而防止节点域出现较大的剪切变形，然而两种补强方式均需要在柱子两翼缘间进行焊接。在钢结构建筑中，柱子翼缘间的空隙往往被设置为管道或者电子设备管线的通道，然而在施加横向加劲肋后设置管道就会非常困难，同时设置横向加劲肋时需要焊接，焊接过程繁琐而会产生不可避免的焊接残余应力。

为了避免施加横向加劲肋，Tagawa[7]采用槽钢对梁柱端板连接中柱子进行加强，以防止柱子翼缘出现过大变形、柱子腹板压屈以及节点域内较大剪切变形。黄兴[8]采用柱翼缘背加垫板防止柱子翼缘破坏，Grogan[9]采用角钢替代横向加劲肋进行补强，然而这些方法都无法有效地限制柱子腹板屈服、节点域的剪切变形。

本文采用角钢与钢板组合方式对梁柱端板连接节点柱部分进行加强，如图3、图4所示，该种构造形式不仅能够满足管道需求，而且能加强柱抵抗变形的能力。一般梁柱螺栓连接节点在受到梁端弯矩作用下，螺栓、柱子翼缘、端板以及柱子腹板都可能发生变形，梁柱之间发生一定的转角，是一种典型的半刚性连接。我国《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)[10]要求半刚性连接结构设计时必须预先确定连接的弯矩—转角关系，EC3[11]规范中也明确提出通过组件法求出节点初始刚度与强度，因此本文对节点的初始刚度以及抗弯承载力进行非线性有限元进行分析，根据弯矩—转角曲线得出节点的初始刚度与强度。

2 有限元分析

2.1 有限元模型

本文对6个不同构造试件进行了有限元分析计算，试件具体补强构造措施如表1所示，试件的详细尺寸如图1—图4所示，均以S-1作为标准试件，其他试件在其基础上进行改进补强。

表1 试件补强措施Table 1 Details of specimens with stiffened arrangement

图1 端板几何尺寸(单位:mm)Fig.1 Endplate geometry dimension(Unit:mm)

梁、柱构件均采用焊接H型钢，梁截面尺寸均为300 mm×200 mm×8 mm×12 mm，长度为1 200 mm;柱截面尺寸均为300 mm×250 mm×8 mm×12 mm，高度为2 000 mm，柱翼缘在端板外伸边缘上下各100 mm范围内局部加厚，厚度与端板厚度相同，其中端板厚度为20 mm，端板尺寸均为200 mm×500 mm，柱腹板处补强板厚8 mm。等边角钢宽度为125 mm，厚度为8 mm，高度为700mm。角钢连接板为200mm×700mm，厚度为8 mm。螺栓为10.9级摩擦型高强度螺栓M20，螺栓孔洞为22 mm，除高强度螺栓外，其余零部件的材料均为Q345B钢，对于S-5角钢内贴采用三面围焊。

图2 S-1、S-2、S-3梁柱节点图(单位:mm)Fig.2 Geometry dimension of the beam-column(Unit:mm)

图3 S-4、S-5尺寸图(单位:mm)Fig.3 Geometry dimension of the S-4、S-5(Unit:mm)

图4 S-6尺寸图(单位:mm)Fig.4 Geometry dimension of the S-6(Unit:mm)

建模过程中，对于所有试件的各零部件，均采用三维八节点非协调单元模拟(C3D8I)，C3D8I是在一阶完全积分单元中引入了一个增强单元变形梯度的附加自由度，一定程度上克服一阶完全积分单元边不能承受弯曲作用;端板连接中端板和柱翼缘之间的两个接触面均通过面与面接触对，以螺栓为主面设置，螺栓与孔壁、接触板面之间面与面接触对，采用bolt load施加螺栓内产生预应力，在螺栓杆内分三步施加170 kN预应力，使用相当于在各个自由度方向上都将两界面捆绑在一起的Tie约束来模拟焊接。考虑到试件关于梁柱腹板中心面的几何对称性，同时为了提高计算效率，所有试件的有限元模型均只建立实际构件的一半，如图5、图6所示。

2.2 材料特性

图5 节点有限元模型图Fig.5 Finite element model of the connection

图6 有限元螺栓模型Fig.6 Finite element model of the bolt

可将钢材均视为各向同性材料，泊松比均取0.3，屈 服准 则均采 用Von Mises准则，材料 屈服后采用流动理论。M20高强螺栓的预拉力设为155 kN，端板与柱翼缘接触面板进行除锈、抛丸处理后假定其抗滑移系数为 0.44[3]。

在建模时，对于试件中的Q345B钢材，其应力-应变关系均采用理想弹塑性，厚度小于或等于16 mm的钢材，屈服强度为390 MPa;厚度大于16 mm的钢材，屈服强度为360 MPa，弹性模量均为2.1×105MPa，螺栓的本构关系采用表2参数。

表2 高强度螺栓的材料性质Table 2 Material properties of high strength bolts

2.3 边界条件

由于取1/2模型，因此在对称面设置对称约束，约束柱子顶面与底面XYZ三个方向的位移，在梁端局部布置刚体单元，并在其对应的参考点上施加竖向位移60 mm。

3 有限元分析结果与讨论

节点的转角包括梁端端板与柱翼缘的缝隙转角与柱子的剪切变形转角，图7、图8分别给出了柱子剪切变形转角与弯矩曲线、节点弯矩转角曲线。在给定相同的竖向位移的情况下，考虑到钢材的强化过程，转角曲线有明显的强化段，本文无法直接给出节点的屈服弯矩，文献[12]将强化段切线与弹性段切线的交点设置为参考屈服弯矩如图9所示。

由图7、图8所示，S-3、S-5柱子的剪切变形最小，节点域内柱子刚度最大，S-6次之。S-3、S-5柱子的剪切变形占节点域总变形的5%，S-1、S-2、S-4由于无法较好地限制柱子的剪切变形，柱子的剪切变形占总变形的30%～40%之间。以S-1作为参考模型，表3根据图8给出节点的初始刚度kini、参考抗弯强度MRf。

图7 柱子弯矩-转角曲线Fig.7 Moment-rotation curves of the column

图8 节点弯矩-转角曲线Fig.8 Moment-rotation curves of the connection

图9 弯矩-转角参照图Fig.9 Moment-rotation reference curve

图10、图11所示，S-1与S-2柱子翼缘与端板没有明显脱开，柱子翼缘发生明显的弯曲变形。S-2与S-1对比，S-2设置了柱子的横向加劲肋，图7所示横向加劲肋能够限制一部分柱子翼缘的变形，但是无法有效限制住节点域的剪切变形，横向加劲肋增加了31%节点初始刚度，但是抗弯强度增大不明显。

图10 S-1应力分布Fig.10 Stress distribution of S-1

图11 S-2应力云图Fig.11 Stress distribution of S-2

S-2与S-3对比，S-3设置了柱子节点域内补强板，图7、图12得出补强板较好地限制了柱子的剪切变形，塑性变形都开展在梁端。由表3可见，S-3相对S-1而言初始刚度增幅达62%，同时强度增加了47%，塑性变形主要发生在受压区以及受拉区的塑性弯曲变形，端板与柱子翼缘有明显的脱开。

图12 S-3应力云图Fig.12 Stress distribution of S-3

S-4相对于S-1将外贴补强板设置为相同厚度的角钢内贴柱翼缘内侧，同时两条角钢通过高强螺栓与两块200 mm×700 mm钢板连接，通过有限元分析发现该种方式无法增加节点的初始刚度与强度，原因在于角钢与柱子翼缘之间脱开，如图13所示，大大削弱了柱子翼缘的抗弯能力，柱子翼缘发生严重的弯曲。

表3 分析与结果比较Table 3 Analysis results comparison

图13 S-4应力云图Fig.13 Stress distribution of S-4

S-5为了防止角钢与柱子翼缘之间脱开，在角钢上侧和下侧与柱翼缘接触处施加角焊缝，同时在柱子翼缘外侧与角钢根部施加角焊缝，形成三面围焊。有限元结果如图7、图8、图14所示，显示该种方式能够达到与S-3相类似的效果，较好地限制了柱子节点域的变形，同时大幅度提升了节点刚度与强度。

图14 S-5应力云图Fig.14 Stress distribution of S-5

S-6与S-4区别在于，将角钢外贴柱子翼缘，螺栓的预应力将角钢夹在柱子翼缘与端板夹之间，能够避免S-4出现的角钢被拉开而脱离柱子翼缘，避免了焊接的工艺，同时便于在柱子弱轴设置连接。由表3可知，相对于S-1初始刚度增加11%，强度增加8%，如图7、图15所示，相对于S-1该节点能够较好地限制柱子的变形，塑性区域开展在外包角钢、端板与梁端。

图15 S-6应力云图Fig.15 Stress distribution of S-6

3 结论

本文通过对多种构造的梁柱端板连接节点的受力特性进行非线性有限元分析，并与相对应的数值模型结果进行全面地对比分析，可以得到以下结论:

(1)横向加劲肋能够限制柱子翼缘的变形，但是无法较好地限制柱子节点域的剪切变形，能够增强节点的初始刚度。

(2)横向加劲肋、腹板外贴补强板能够较好地控制节点域的剪切变形，能够增加节点的初始刚度与强度，但是无法满足建筑管道布置需求。

(3)角钢内贴柱子翼缘螺栓连接，角钢与柱子翼缘之间脱落，柱子翼缘发生较大的弯曲变形，无法增加节点的刚度与强度。但是施加三面围焊后，能够达到与施加横向加劲肋、腹板补强板同样的效果，满足建筑管线通道设置需求。

(4)角钢外贴柱子翼缘连接，由于预紧力的存在，使角钢与翼缘一起参与受弯，能够较好地限制柱子变形，初始刚度与强度有一定的提高，同时无须焊接，安装简便，便于弱轴螺栓连接。

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