一种端板拼接钢梁节点受力性能分析

郭金海，　段树金

(石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄 050043)



一种端板拼接钢梁节点受力性能分析

郭金海，段树金

(石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄 050043)

以高强螺栓外伸端板拼接梁节点为研究对象，采用有限元模拟计算得到了节点在单调加载下的剪力—滑移曲线和弯矩—转角曲线，呈现出节点连接的半刚性；分析了端板厚度、螺栓直径、加劲肋对节点受力性能的影响，得出结论：增加端板刚度及螺栓直径有利于节点承载力和变形能力的提高。

钢结构；端板拼接；梁拼接；剪力—滑移曲线；弯矩—转角曲线

钢结构因具有施工速度快、自重轻、清洁环保等优点而被国内外广泛应用。在钢结构建造过程中，常常由于受力要求或施工现场因素而将构件进行拼接。拼接具有多种形式，其中端板拼接为其中一类。尤其是在大力发展装配式钢结构的背景下，对包含端板拼接形式在内的节点拼接的受力性能进行分析具有重要理论与应用价值。国内外对端板拼接形式已取得很多研究成果，如文献[1]通过对168个梁试件的二维有限元分析，得出了螺栓端板连接节点弯矩—转角(M-θ)关系曲线回归方程，且方程中考虑了端板形式、螺栓尺寸及布置和材料属性等。文献[2]对端板拼接方钢管柱的上下两片端板之间的分离现象进行了深入分析，明确了端板的分离现象对连接的承载力有明显影响。文献[3]考虑梁高、螺栓布置、加劲肋、端板厚度及焊接工艺的因素，对15组端板连接试件进行循环加载试验研究，得出螺栓拉力相对松弛的端板拼接有较好的耗能性能，且外伸端板加劲肋不仅能提高节点耗能性能而且也改善了节点屈服时的变形能力；同时还提出适用于有无加劲肋情况下多种螺栓布置的端板厚度计算公式。文献[4]对工字梁外伸端板高强螺栓梁拼接的抗弯性能进行了研究，探讨了螺栓间距、梁高等因素对节点抗弯能力的影响，对端板及螺栓强度进行分析，提出了节点的简化设计方法，并且与当前常用设计方法进行了对比。施刚、石永久等对端板连接的梁柱节点及梁节点进行了试验及有限元分析，提出了现行外伸端板设计中的一些问题并进行了相应改进，且提出了一种外伸端板螺栓拉力分布模型及相应设计方法[5]。文献[6]对影响外伸端板连接形式的承载力及初始刚度影响因素进行研究，提出了连接承载力及初始刚度的计算方法。文献[7]对一种新型柱脚进行单调加载下力—位移关系进行研究，得到柱脚的力—位移关系拟合公式，并用实例验证了研究结果的合理性。

本文对高强螺栓外伸端板拼接梁节点进行研究，采用有限元分析得到节点在单调加载下的剪力—滑移曲线和弯矩—转角曲线；分析端板厚度、螺栓直径、加劲肋对节点受力性能的影响。

1 单调加载分析

1.1 基本试件构造及网格划分

梁段采用H型钢，不计翼缘板抗剪，截面极限抗剪承载力Fp=675.36 kN；截面弹性极限弯矩Me=313.54 kN·m，全截面塑性弯矩Mp=400.27 kN·m；两段长为L的梁段采用高强螺栓端板连接，单个高强螺栓预紧力P=100 kN，端板间平均预紧应力为σ=7.7 MPa。试件构造如图1所示，端板厚度t=18 mm，试件高强螺栓杆直径d=20 mm，螺帽直径30 mm、厚20 mm，螺栓孔直径d0=21.5 mm，试件具体尺寸见表1。

ANSYS分析中模型材料应力—应变关系分别如图2、图3所示，材料属性见表2。

有限元模型网格划分方式均为自由网格划分，H型钢梁单元尺寸为40 mm，端板网格尺寸为20 mm，螺栓网格尺寸为7 mm。按照接触面选择一般原则，考虑连接中端板与端板、端板与螺帽、螺栓杆与孔壁的接触，试件有限元模型如图4所示。

图1 基本试件构造

几何参数数值/mm几何参数数值/mmL1000t116h300t250H520t350B200t450b200t5120t14t690

表2 基本试件材料属性

1.2 边界条件及加载方式

试件一端约束竖向位移uy、纵向位移uz及腹板的侧向位移ux，另一端约束竖向位移uy及腹板侧向位移ux，即为约束两端腹板侧向失稳的简支约束。分析时首先对螺栓施加预紧力，然后在拼接位置一侧端板1/2高度水平节点上施加y负向单调增加位移荷载，每个位移荷载步为2 mm，共41个荷载步。分析中不考虑焊接及其残余应力的影响。

图2 端板材料应力—应变关系 图3 螺栓材料应力—应变关系 图4 有限元模型示意图

1.3 单调加载力—位移曲线

有限元分析得到节点截面的剪力—滑移曲线和弯矩—转角曲线，分别如图5和图6所示。

由图5、图6可知，节点的抗弯承载力为Mu=184.3 kN·m，抗剪承载力为Vu=184.3 kN。节点具有剪力—滑移和弯矩—转角双重半刚性特点，其力—位移关系可分为3个阶段：第1阶段为线弹性增长阶段，荷载为零时，由于预紧力的作用，两端板接触面处于全面均匀受压状态；随着荷载增加，中和轴以下接触面上的压应力逐渐减小，但全截面仍处于受压状态，截面不会分离，直到端板下缘的压应力降为零，此阶段下部两排螺栓拉力未明显增大，应力分布如图7所示。第2阶段为非线性增长阶段，随着继续加载，从端板下缘开始，两端板面分离并逐渐向上发展，形成截面相对转动，并伴随着滑移，直到达到抗弯(剪)承载力，达到抗弯(剪)承载力时节点应力状态如图8所示；此阶段螺栓和端板材料绝大部分处于弹性阶段，所以两端板面相对转动和滑移的量都不大。当节点达到承载力后，下两排螺栓杆应力已经达到屈服应力640 MPa，而端板最大应力为229 MPa，两端板面相对转动和滑移迅速增加，进入第3阶段，应力分布如图9所示。节点的破坏可能由螺栓杆被拉断或端板局部屈曲所导致；由于本文采用理想弹塑性本构关系，故承载力减小趋势较为明显；若采用考虑硬化的本构关系，此阶段承载力下降会有所延缓。

图5 节点剪力—滑移曲线

图6 节点弯矩—转角曲线

图7 未达承载力前节点应力分布图8 达到承载力时节点应力分布 图9 承载力之后节点应力分布

2 节点参数影响分析

2.1 试件设计

利用ANSYS有限元分析，对连接部位端板厚度、螺栓直径、有无加劲肋三种因素对节点单调加载情况下的力—位移关系的影响进行分析。为此共设计7个试件，具体见表3。考虑节点的受剪及受弯作用，对7个试件施加相同单调增加位移荷载，得出各自节点剪力—滑移曲线及弯矩—转角曲线关系并进行对比。

2.2 有限元结果分析

通过对7个试件进行单调加载有限元分析，得出其力—位移曲线，分别见图10～图15。

表3 试件参数

经分析，7个试件在达到承载力时节点下两排螺栓中都出现了屈服，而端板应力值随厚度的增加而有所降低。从7个试件曲线的分组对比可看出，外伸端板连接节点均呈现出剪力—滑移和弯矩—转角双重半刚性性质。当端板未出现明显滑移之前都有较大的刚度，表现出明显刚性特征，一旦发生比较明显滑移后曲线开始变得趋于平缓，体现了节点抗剪的柔性。分析单调加载情况下不同端板厚度的力—位移曲线可知：随着端板厚度的增加，节点刚度有一定程度的增加，从而使得节点抗剪及抗弯能力都有一定的提升。同样，在同等条件下增大螺栓直径，虽然螺栓孔对节点有一定削弱，但节点承载性能仍有一定程度的提升。当两端外伸端板设置加劲肋后，节点刚度的增大要比增加端板厚度、增大螺栓直径后节点刚度的加大程度要高，节点的承载性能与延性都有良好的体现。故设置加劲肋是提高节点承载能力及其工作变形性能的比较有效的方式。

图10 不同端板厚度模型剪力—滑移曲线 图11 不同端板厚度模型弯矩—转角曲线 图12 不同螺栓杆直径模型剪力—滑移曲线

图13 不同螺栓杆直径模型弯矩—转角曲线 图14 有无加劲肋模型剪力—滑移曲线 图15 有无加劲肋模型弯矩—转角曲线

3 结论

(1)外伸端板拼接节点属于半刚性节点，显示出剪切和转动的双重半刚性特点。

(2)在单调加载情况下，增加连接处端板厚度、增大螺栓直径、设置加劲肋都可使节点的承载性能及工作性能得到一定程度提升，即增加节点刚度有利于节点承载力和变形能力的提高。

(3)虽然螺栓直径的增加会直接导致螺栓孔的增大，但对节点的承载力与变形性能的提高也有一定作用。

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A Performance Analysis of the Forced Nods of an End-Plate-Spliced Steel Beam

GUO Jinhai，DUAN Shujin

(College of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China)

With the forced nods of an end-plate-spliced beam with high-strength bolts as the objects our studies,the shear-slip curve and the moment-rotation curve of the beam joint spliced with high-strength bolts and the extended end-plates under the monotonic load are obtained in the paper,with the joint found to be semi-rigid.The effects of the thickness of the end plates,the diameters of the bolts and stiffening ribs on the mechanical properties of the joints are analyzed.It is found that increasing the stiffness of the end plates and the diameters of the bolts helps improve the bearing capacity and ductility of the joint.

steel structure;end-plate-spliced;beam-splicing;shear-slip curve;moment-rotation curve

2016-05-17

郭金海(1988—)，男，硕士研究生，研究方向为结构工程。

10.13219/j.gjgyat.2016.05.011

TU391

A

1672-3953(2016)05-0036-04