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1、钢框架带悬臂梁段拼接节点的承载特性分析1常鸿飞，夏军武，靳大勇 中国矿业大学建工学院，江苏徐州（221008） E-mail：摘要：通过有限元计算研究钢框架带悬臂梁段等强拼接节点与可滑移拼接节点的承载特 性，得到两者的弯矩-转角曲线和变形、破坏形态，分析不同拼接强度对节点承载性能的影 响。经过分析发现虽然可滑移拼接节点的梁翼缘腹板拼接均有所削弱，但其极限承载力并未 降低，且转动能力比等强拼接节点提高 34.8；进一步对可滑移拼接节点的变形进行分析， 发现滑移能显著提高节点塑性转角，并给出滑移对转角贡献的公式，与有限元计算结果吻合 较好。在对比分析的基础上，给出钢框架带悬臂梁段拼接节点的“强焊弱
2、栓”设计建议，供设 计参考。关键词：带悬臂梁段拼接节点；承载特性；数值模拟；弯矩-转角曲线1. 概述作为抗震设计的一个基本原则，“强节点弱杆件”这一设计条件经常会被设计者所忽略。 尤其是在典型的带悬臂梁段拼接的钢框架设计中，该问题更为突出。带悬臂梁段拼接的钢框 架节点将短悬臂梁段与柱在工厂焊接，预留螺栓孔洞，在现场进行梁拼接的高强螺栓安装（图1.a）。该节点应用广泛，但对其受力性能的研究目前还不深入1-8，文献1首先提出了利用 悬臂梁段高强螺栓拼接滑移实现耗能的思想，并建议滑移在弹性阶段不出现而在极限状态出 现；文献2提出了一种改进带悬臂梁段拼接节点性能的措施，梁柱焊接部位不开焊接孔且 对梁翼
3、缘根部进行加强，发现改进后的带悬臂梁段拼接节点的延性发展较好，塑性铰外移； 文献3分析了等强设计拼接的潜在风险，提出了钢框架带悬臂梁段拼接节点的整体设计思 路和建议；文献4对无拼接节点及钢框架带悬臂梁段拼接节点的进行弹塑性分析，发现有 拼接节点能显著提高节点弹性刚度；文献5研究了带悬臂梁段拼接节点的单调加载和循环 加载性能，并通过有限元计算考察了影响该节点的主要参数，给出拼接两阶段及节点整体设 计方法建议。文献678也通过试验和有限元计算研究了该类型节点的循环荷载作用下的 破坏机理，并给出抗震设计建议。这些文献均得出了有利的结论及研究成果，但对这种型式 节点的设计方法尚未明确。这种节点同时包括
4、梁柱焊接和梁高强螺栓拼接两种连接，其中梁 柱焊接应归为节点设计内容，梁-梁拼接则应归为杆件拼接设计内容。目前的设计都将梁柱 焊接与梁的拼接作为两个独立的内容进行设计，比如梁柱焊接采用精确设计法，梁的拼接采 用等强设计法 9-11。这种设计虽然也经过“强节点弱杆件”的校核，但焊接的实际工作性能明 显低于高强螺栓连接，所以独立设计的“节点”与“杆件”通常并不能符合“强节点弱杆件”要 求。因此，正确的设计思路应考虑焊接及拼接的实际承载特性及其相互影响。本文将梁柱焊 接与梁拼接视为整体，考虑等强和可滑移拼接两种情况，通过数值模拟研究带悬臂梁段拼接 钢框架节点的承载特性，并提出针对该节点的“强焊弱栓”设
5、计建议。1本课题得到中国矿业大学青年科研基金资助项目（A2007009）的资助。- 1 -工厂焊接 悬臂梁段中间梁段塑性发展区域柱加劲肋现场安装柱(a)(b)图 1 带悬臂梁段拼接的钢框架节点Fig.1 Steel frame connection with cantilever beam splicing2. 数值模型采用通用有限元软件 ANSYS 对带悬臂梁段拼接的节点进行数值模拟，该通用软件对钢 框架及节点分析的可靠度较高12-13，而对本类型节点的分析结果与试验结果对比在文献【5】 中已有详细介绍，从中可见数值模拟与试验结果有很好的吻合。2.1 模型尺寸模型几何尺寸如图 2 所示，柱为
6、 H2003001010，梁为 H160300108。节点核心区 加劲板与梁柱翼缘同厚，梁柱端部加劲肋厚度为 10mm。图中构件 T1 模拟的是梁柱焊接梁 等强拼接节点，T2 为梁柱焊接梁拼接可滑移节点。拼接面采用清除浮锈处理，接触面摩擦 系数取 0.3。高强螺栓等级为 M20 级，等强拼接数目为翼缘单面 6 个，腹板单面 3 个；可滑 移拼接数目为翼缘单面 4 个，腹板单面 2 个。梁拼接的设计方法及过程在文献【4-5】中有 叙述，此处不再详述。简言之，等强度拼接就是要求按被连接的梁翼缘和腹板的净截面符合 等强度条件；可滑移拼接则要求梁拼接在正常使用极限阶段不出现滑移，而在承载极限阶段 前允
7、许螺栓拼接出现滑移。本文设计的节点 T1、T2 分别符合上述等强及可滑移的条件。梁翼缘拼接板梁翼缘拼接板柱加劲肋柱加劲肋梁加劲肋梁加劲肋16051036030001500翼缘拼接板翼缘拼接板150035 90 3555 70 70 120 70 70 55150055 65 120 65 5535 90 3515003000500 1099016055 70 55500 10990150022045 65 65 45 210 210 1500腹板拼接板腹板拼接板45 120 4545 120 452.2 材料本构T1T2180图 2 模型几何尺寸图Fig.2 Geometry Dimensio
8、ns of the Model为了考察节点的破坏特征，定义带下降段的焊缝材料及梁柱材料本构，采用多线性随动强化材料模型：梁柱钢材采用 Q235 钢，其屈服强度取为 235MPa；焊缝为 E43 手工焊，屈 服强度 350MPa。高强螺栓钢材的屈服强度取为 980MPa。所有材料初始弹模 E0=2.06105， 泊松比 =0.3。采用 Von Mises 屈服准则。焊缝、梁柱及高强螺栓的材料模型如图 3 所示， 各关键点具体数值见表 1。焊缝及梁柱材料本构高强螺栓材料本构图 3 焊缝、梁柱板材及高强螺栓材料模型Fig.3 Material models of weld; beam-column
9、planks and high strength bolts表 1 材料模型关键点Table1 Keypoints of material models材料ABCabc编号1焊3504800.1551.512缝2梁2353253750.1141.53.512柱3高强 螺栓备 注98011000.4761.36 A、B、C 为应力项，单位 N/mm2a、b、c 为应变项，单位 10-22.3 单元及约束根据应力复杂程度的不同分别采用不同单元类型，网格划分的精度也与应力复杂程度相 关，核心区网格尺寸较密，远离核心区的梁柱构件网格划分较稀疏。单元选取具体如表 2 所示，核心区网格划分如图 4 所示。
10、约束条件采用柱下端限制所有自由度的固定约束，柱顶限制 x、y、z 三向平动自由度。 考虑对称性，仅建一半模型进行分析。加载采用位移控制的方式，加载点的位置为距柱中心1.44m 处（即梁端中间加劲肋对应点）。表 2 单元类型及数量Table2 Element types and quantities单元数量位置单元名称单元描述 T1T2悬臂梁段 拼接板 拼接梁段梁柱非核 心区高强螺栓 梁柱端加Solid92Solid4510 节点四边形三维实体1475610497单元8 节点六边形三维实体单67264956元Shell63弹性壳单元282282劲肋预紧力Prets179螺栓预紧力单元724492
11、三维 8 节点面-面接触单Contact174接 触元34522262Target170三维面-面接触目标单元48143370总 计3075421859T1T2图 4 梁柱节点核心区网格划分Fig.4 Mesh of the Joints3. 带悬臂梁段拼接节点承载特性分析3.1 弯矩-转角分析节点的弯矩-转角特性曲线表征了节点传递弯矩与梁柱相对转角的关系，是考察节点性 能的一项重要参数14-15。通过弯矩-转角曲线分析可以得到如下节点参数：初始转动刚度 Rin， 极限弹性承载弯矩 Me，极限塑性承载弯矩 Mu，节点转动能力 等。定义弯矩 M 为柱中心 线弯矩，其值为梁端加载点施加荷载 P 与
12、加载点距柱中心距离 L 之乘积；节点转角 为加 载点位移除以加载点至柱中心线距离。图 5(a)分别给出节点 T1、T2 的弯矩-转角（M- ）曲线。由图可见，在弹性阶段 T1、 T2 的曲线差别不大，进入弹塑性及强化阶段后，等强拼接节点 T1 的承载力高于可滑移拼接 节点 T2。T1 曲线一直强化到最高点然后进入下降段，而 T2 在弯矩达到 175kN-m 左右时出 现承载力的平稳段，然后继续上升直到最高点。这是由于 T2 的高强螺栓拼接出现滑移，而 当滑移完成，栓杆挤压孔壁后，承载力会继续上升。将节点的主要性能参数列于表 3，可见 等强拼接节点 T1 的初始刚度大于可滑移拼接节点 T2，但两
13、者弹性承载力接近，且 T1 的极 限承载力（224kN-m）甚至略低于 T2 节点（228.26kN-m）；两节点的最大转角相差较大，在 承载力最高点 T2 的转角为 0.0647rad，T1 为 0.048rad，T2 转动能力比 T1 高 34.8。进一步对 T2 节点的弯矩-转角特性进行分析（图 5(b)），可以发现在弯矩达到 175kN-m 时，滑移转角确有明显的增大，到 185kN-m 以后则趋于稳定，说明孔壁挤压栓杆，起到限 制滑移的作用。250单调加载弯矩转角曲线250T2节点弯矩转角分析200200弯矩/kN-m150T1T210050150弯矩/kN-m10050全弯矩-转角曲线 弯矩-滑移转角 弯矩-节点域转角000.020.040.060.080.1 转角/rad000.020.040.060.080.1 转角/rad(a)(b)图 5 弯矩-转角曲线Fig.5 Moment-rotation curvers of the Joints节初始刚 点度表 3 节点的主要性能参数Table3 Main parmeters of joint弹性极限承载力 Me（kN-m）极限承载力 Mu（kN-m）最大梁端位编Rin号（kN-m）梁端位移(mm)柱中心弯矩 Mea
