无内加劲肋扁钢管柱-H型钢梁单边螺栓连接节点加强形式优选研究*

张国松，李泽深，韩军强

(1.浙江省二建钢结构有限公司，浙江 宁波 315200； 2.浙江省建设投资集团有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

在住宅结构中使用钢管柱时，为了避免柱子在平面外方向尺寸过大而导致凸梁凸柱的弊端，通常采用与建筑墙体等厚的扁钢管混凝土柱。吴丹[1]提出了一种对拉螺栓式的扁柱钢梁连接形式，通过采用穿芯高强螺栓将梁和柱连接起来，这种构造方式简单方便，能够满足强柱弱梁的设计要求。付波等[2]提出一种外顶板式节点，通过4块楔形钢板将扁柱和H型钢梁焊接到一起。托娅[3]提出了扁钢管混凝土柱π形件节点，该节点可使结构塑性铰远离节点核心区，使构件破坏先于节点破坏。近年来，随着国产单边螺栓的量产，给封闭截面构件提供了新的连接方式。单边螺栓具有单侧拧紧、施工便捷、连接可靠的特点，可以解决常规螺栓在封闭截面连接时结构内部无操作空间的问题。单边螺栓连接矩形钢管柱-H型钢梁节点的可靠性得到了诸多研究的证实[4-6]。

在住宅结构中采用扁钢管混凝土柱时，由于短边尺寸较小，内设普通加劲肋或开孔加劲肋都存在混凝土灌注施工困难或难以灌注密实的问题。国内外学者提出采用外环板式构造或类似外环板的其他加强形式来避免钢管内部设置加劲肋[7-8]，但外环板占用外部面积较大，在住宅结构中使用时不利于户型的布置。利用单边螺栓连接的扁柱节点无需在钢管柱内施工，内部不设加劲肋的钢管柱与钢梁采用单边螺栓连接时，内部无需焊接和螺栓拧紧施工，可直接使用型钢钢管制作，施工便捷，可较大程度降低制作成本。但无内加劲肋的扁钢管柱节点核心区易出现柱子变形过大、节点受力性能不佳的问题。为此，本文拟探讨不同加强形式的无内加劲肋扁钢管柱-H型钢梁单边螺栓连接节点的受力性能和破坏模式。通过对5种加强的无内加劲肋扁钢管柱-H型钢梁节点的承载能力、变形性能、节点刚度、应用方便程度等进行分析，优选加强的节点构造，为不设内加劲肋的扁钢管柱-H型钢梁节点设计应用提供参考。

1 试样设计

为了研究不同加强形式对节点承载力及变形性能的影响，设计5种不同构造形式的加强型无内加劲肋扁钢管柱-H型钢梁节点，包括：增大端板加劲肋尺寸(见图1b)、与端板连接位置梁端设置盖板加强(见图1c)、柱内壁在端板范围内加厚(见图1d)、柱外壁在端板上下100mm范围内加厚(见图1e)和在梁端下部加腋(见图1f)。不同加强形式节点构造如表1所示。各节点梁、柱截面尺寸相同，分别为H300×150×6.5×9和≤400×200×14。梁柱线刚度比为0.16，满足强柱弱梁要求。考虑节点对柱的影响范围不超过2倍端板高度，柱高设计为2m，假设框架梁的反弯点位置位于框架梁跨度的1/4处，按梁跨度7m计算，取梁长1.55m。各节点端板尺寸、螺栓规格、螺栓孔距相同，根据规范[9-10]的要求，端板厚度取18mm，端板与梁连接区域设置加劲肋，加劲肋厚度取10mm。除螺栓外，其余材料均为Q345钢。

图1 各节点构造

表1 不同加强形式节点构造

2 不同加强形式节点受力性能有限元模拟分析

2.1 模型参数选取

利用通用有限元软件ABAQUS建立单边螺栓连接扁柱-H型钢梁节点模型。考虑到扁柱上、下端位于反弯点位置，该处弯矩为0且可以在平面内发生转动。在柱子上、下端约束除平面内转角URy以外所有方向的变形(节点所在坐标系如图2所示)。柱顶端设置轴压力，轴压比取0.2，放松柱顶在z方向的位移，以考虑由于柱子轴压导致的柱顶变形。在梁端施加竖直向下的位移以模拟实际节点受到的竖向作用，并约束梁端不发生平面外的变形。节点边界条件和加载情况如图2所示。

图2 各节点坐标

模型采用8节点线性减缩积分实体单元C3D8R，整体网格尺寸为5cm，在节点核心区域如端板位置、螺栓、柱子中部、梁端与端板连接区域等对网格进行细化。考虑到梁柱节点核心区域存在大量的接触关系，在端板与柱壁、端板与螺栓套筒、端板与螺栓杆、螺栓杆与螺栓套筒、螺栓杆与柱壁、螺栓套筒与柱壁位置定义面面接触，其中法向行为采用硬接触，允许接触后分离，切向行为采用罚接触，摩擦系数取0.4。Q345钢和10.9级高强度螺栓的应力应变关系采用三段线性关系。为不失一般性，屈服强度、极限强度和弹性模量均采用理论值，如表2所示，泊松比取0.3。

表2 钢材参数

2.2 模型可靠性验证

为了获取单边螺栓连接扁柱-H型钢梁节点的受力性能，对2种柱壁加强型节点S3，S4进行试验测试。测试得到的S4节点变形与数值模拟结果对比如图3所示，2种节点的荷载-位移曲线对比如图4所示。从图4可以看出，本文建立的数值模型可以很好地模拟节点的变形情况和破坏趋势。数值模拟得到的荷载-位移曲线在弹性阶段几乎与试验数据完全相同。当节点进入塑性阶段后，数值模拟得到的承载力略小于试验结果，这是由于数值计算所采用的材料本构模型为线弹性本构，在塑性阶段对材料性能的描述与实际材性之间有误差。2种节点的极限承载力误差在6%以内，证明了本文所建立的有限元数值模拟具有较好的可靠性。

图3 S4节点破坏形态对比

图4 S3，S4节点模拟与试验荷载-位移曲线对比

2.3 节点受力性能分析

2.3.1破坏模式

6个节点的主要破坏形态如图5所示。从图5可以看出，无任何加强的S0节点中柱壁和端板在节点核心区拉力作用下发生明显的鼓曲变形，上侧螺栓受到较大的拉力，梁端没有明显的屈曲现象(见图5a)。S1节点为加劲肋加强型节点，与S0节点相比，增加了加劲肋与梁连接部分的长度，导致梁在加劲肋伸长区域发生的转动变形较小，但在节点核心区仍出现了明显的柱子鼓曲现象。S2和S5节点为梁加强型节点，与S0节点相比，S2和S5节点梁上应力变小，柱壁有较明显的鼓曲现象，变形量比S0稍小(见图5c，5f)。S3和S4节点为柱加强型节点，节点核心区域柱子的变形相对较小，梁端在加劲肋外侧有明显的屈曲现象，表明节点塑性铰出现在梁端，符合强柱弱梁的抗震设计要求(见图5d，5e)。

图5 各节点破坏模式

2.3.2承载力和延性分析

6个节点的弯矩-转角曲线如图6所示。从图6可以看出，不同加强形式对节点的受力性能影响差异较大。其中，S3和S4节点的弯矩-转角曲线呈双线性特征，有较明显的屈服点，在屈服点前节点基本处于弹性变形，屈服点后节点的承载力提升较小。节点的初始刚度比S0有明显的提高。其余节点的弯矩-转角曲线均为平滑的曲线，没有明显的屈服点，加强节点S1，S2和S5的承载力比S0有所提高，但提高幅度不大。3种加强节点的初始刚度与S0相比没有明显的提高。

图6 各节点弯矩-转角曲线

表3给出了6个节点的初始刚度、屈服转角和极限弯矩值。从表3可以看出，各节点初始刚度差异较大，柱壁外侧贴板的S4试样初始刚度最大，其次是柱内壁加强的S3试样。与S0节点相比，分别提高了2.9倍和1.9倍。这表明对柱壁进行加强可以显著改善无内加劲肋扁柱节点的受力性能。各节点的屈服转角均较小，表明节点具有较强的非线性特征。5个加强型节点的极限弯矩均比S0大，表明节点加强可以一定程度上改善节点的承载力。增大加劲肋尺寸的S1试样极限承载力最大，与S0相比，各加强节点的承载力提升幅度不大，这是因为节点设计时考虑到强柱弱梁的要求，梁刚度设计较弱，所有节点均在梁发生屈曲时达到极限承载力。

表3 各节点力学指标

3 结语

通过对5种不同加强形式的无内加劲肋扁钢管柱-H型钢梁单边螺栓连接节点的受力性能和破坏模式进行有限元模拟分析，获得各节点的破坏形态、极限弯矩、屈服转角、节点刚度特征，并与无加强的节点性能进行对比，得到结论如下：梁端加强对节点受力性能的提升帮助较小。增强端板加劲肋可以提高节点的承载力，但提升幅度不大。梁端加强和加劲肋加强形式节点的破坏形态与无加强节点的破坏形态类似。柱壁加强形式对节点刚度、承载力及破坏模式的影响最大，加强后的节点破坏时柱壁没有明显的鼓曲现象，节点的初始刚度与无加强节点相比提高了2～3倍，是不便设置柱内加劲肋时较理想的扁柱-H型钢梁柱节点构造形式。在柱壁外侧贴板或柱壁内侧贴板对节点承载力和刚度的提升差别不大，可根据实际需要选择加强形式。在对房屋空间有严格限制要求时进行柱内加强，在对结构施工效率或装配率有较高要求时选择柱壁外侧贴板加强。本文可为不设内加劲肋的扁钢管柱-H型钢梁节点设计应用提供参考。