不同构造T形钢连接节点受力性能分析

李泽深，覃达威，张克实，李秀梅

(广西大学土木建筑工程学院， 广西南宁530004)



不同构造T形钢连接节点受力性能分析

李泽深，覃达威，张克实，李秀梅

(广西大学土木建筑工程学院， 广西南宁530004)

摘要：当采用T形钢和高强螺栓连接的梁柱节点时，不同的连接件构造对节点受力性能的影响很复杂。为了研究不同连接件构造对T形钢连接节点受力性能的影响，在实验研究的基础上，用有限元软件ABAQUS建立不同构造节点的非线性有限元模型进行分析。模型综合考虑了材料的循环塑性特征、连接部位的接触问题以及高强螺栓的预紧力等要素。通过数值模拟分析，对包含不同构造连接件的T形钢连接节点在循环荷载作用下的受力性能进行了深入探讨。研究结果表明：对节点连接件进行局部加强可以显著提高节点承载力，但对增加其延性和耗能能力并无帮助；对节点连接件进行局部削弱有助于增加节点的变形能力和耗能系数。但其承载能力退化严重；翼缘扩大型T形钢连接节点的延性系数和耗能系数均是普通T形钢连接节点的1.3倍，其承载能力较普通T形钢节点提升了43.3%，是更优良的T形钢连接节点构造形式。

关键词:数值模拟；T形钢构造；半刚性节点；本构模型

在钢框架结构中，梁柱节点连接部位受力复杂，而节点的受力性能对整个结构的变形和承载能力均有较大的影响，明确梁柱节点区域的约束关系和滞回性能是进行钢框架受力设计的关键[1]。半刚性节点可弥补传统焊接节点变形性能较差的缺陷，已经较为广泛的应用于实际结构中。T形钢连接是一种常见的梁柱半刚性节点的连接形式，它由高强螺栓将梁、柱以及T型连接件拼接起来，施工过程不需要焊接，快速方便[2]。

T形钢连接节点有优良的延性和抗震性能，且节点初始刚度较高[3]。许多研究者对T形钢连接梁柱节点受力性能进行了实验研究。针对T形钢螺栓连接梁柱节点进行了单轴和循环加载试验，发现该类型节点的变形性能良好，节点在变形过程耗散了大量的能量，因此节点具有良好的耗能性能[4-7]。但T形钢连接节点的构造形式种类繁多，不同构造节点的受力性能差异还有待研究。

为了研究T形钢连接梁柱半刚性节点在循环荷载作用下的受力性能，本文通过有限元软件ABAQUS建立了T形连接件的非线性有限元模型并计算。建模过程中综合考虑了材料的循环塑性特征、连接部位的接触问题、以及高强螺栓的预紧力等要素。并根据已有的实验结果，对有限元计算的结果进行了验证，发现计算结果可以较好的预测T形钢连接节点的受力性能。利用该有限元建模方法对包含不同构造连接件的T形钢连接节点在循环荷载作用下的响应情况进行有限元分析。探讨了不同T型连接件构造对节点承载能力、变形性能、滞回性能影响的规律。

1试件设计

为得到更优良的连接件构造形式，在传统的T形钢连接梁柱节点的基础上，对节点连接件构造按不同方案进行改进，共设计了5个试件：TF0试件代表传统的T形钢连接节点，是对比试件;TF1、TF2、TF3试件为加强型改进试件，TF4为削弱型改进试件。各节点梁柱均采用标准H型钢尺寸，其中梁截面尺寸为294 mm×200 mm×8 mm×12mm，柱截面尺寸为300 mm×300 mm×10 mm×15 mm，螺栓为M20高强螺栓。其中，TF0试件的T形钢截面尺寸为250 mm×200 mm×10 mm×15 mm，其余各试样的T形钢为在TF0试样T形钢基础上改进得到。为了节约计算时间，考虑到试件关于梁柱腹板中心面几何对称，取实际结构的一半建模。模型的几何参数及各试件的构造差异说明见表1，各节点连接形式的有限元模型参见图1。

表1　试件构造差异说明

(a) TF0

(b) TF1

(c) TF2

(d) TF3

(e) TF4

2有限元模型

2.1模型的建立和单元划分

图2　典型的T形钢节点模型Fig.2　The typical T-stub connection model

节点模型由钢梁、钢柱、T型连接件和高强螺栓组成。钢梁、钢柱和连接件均采用空间三维六面体非协调模式线性单元(C3D8I)模拟。采用扫略(sweep) 方式进行网格划分，在应力集中部位进行了网格加密。单个试件模型全部单元数约为42 000个。典型的连接模型如图2(考虑了对称)。

2.2材料本构关系

①Q235钢

考虑到节点材料受循环反复荷载，采用Chaboche本构模型[8]描述材料的屈服和塑性流动，其屈服函数为：

(1)

式中，σ′和α′分别是应力张量σ的偏量和背应力张量α的偏量，R描述屈服面的大小。

而塑性变形符合法向流动法则：

(2)

在塑性变形过程中，材料的硬化分为两个部分：各向同性硬化和方向性硬化。各向同性硬化是指屈服面的膨胀，即:

R=σ0+Q[1-exp(-bp)],

(3)

式中,σ0为塑性应变为零时的屈服面大小，Q和b是通过实验确定的材料参数。

而方向性硬化是指屈服面的移动，用背应力演化来描述:

(4)

根据材性试验的结果[9]，对Chabohe模型的材料参数进行拟合并列于表2。其中，ρ为材料密度，E和ν分别是弹性模量和泊松比。

表2　Q235钢材料参数

图3　高强螺栓钢应力—应变曲线Fig.3　High strength bolt steel stress-strain curve

②高强螺栓材料

高强螺栓的材料为40Cr合金钢。在试验加载过程中，螺栓只受到单向压紧的预紧力，因此对40CR合金钢只进行单向拉伸的材性试验，测试得到的应力—应变曲线如图3所示。采用等向强化模型描述其力学行为，根据材性试验的结果，得到材料参数如表3。其中E为材料弹性模量，σ0为初始屈服应力，ν为材料泊松比，εu为极限应变，σu为极限应变。

表3　高强螺栓材料参数

2.3模型的加载方案

考虑结构的对称性及计算的经济性，取一半结构建模，在对称面上施加对称约束。柱上端除轴力方向外全部约束，柱脚固定。在柱顶设置均匀轴压力，梁端中心点施加位移控制的反复荷载。

2.4接触的处理

在各接触面之间设置面面接触(face to face)。T型连接件和梁翼缘间(图4中面1)、螺帽和梁柱之间(图4中面2)、T型连接件和柱翼缘面之间(图4中面3)均有法向和切向的相互作用，螺帽沿螺杆方向的接触面(图4中面4)只设法向相互作用。切向摩擦设为库伦摩擦，摩擦系数取为0.4[10]。考虑到在接触面之间的滑移较大，接触属性设为有限滑移。螺孔面和螺杆面之间作用主要是相互挤压，因此只考虑其面面之间的法向作用，设为硬接触(hard contact)。

模型中高强螺栓在螺杆中心面(图4中面5)施加螺栓荷载(bolt load)。为了保证模型能更好收敛，首先在螺杆中心施加1 kN的预紧力，然后增大到155 kN。考虑到预紧力施加后螺栓产生微量变形和螺栓预紧力逐渐退化，在试件受荷过程中近似设螺杆长度不变。

卢一平放下手上的书,这3D呀,是从国外传来的。在美国,3D的玩法叫“选 3”（pick3）,有的还叫“每日数字”（dailynuber）。

(a) 接触面(b) 高强螺栓预紧力受荷面

图4接触面和高强螺栓预紧力

Fig.4Contact pairs and bolt pre-tightening force

3有限元计算的验证

为了证明有限元计算的合理性，根据课题组已有实验结果[11]，对传统T形钢连接节点构造形式的有限元计算结果进行了验证和分析。图5为有限元计算结果与实验结果得到的力—位移曲线对比图，图6为有限元计算得到的节点变形情况与实际节点变形情况的对比图。从图5中可以看出，根据上述建模方法建立的有限元结果可以较好的描述实验结果，从而证明了该建模方法的合理性。

(a) 单轴拉伸测试

(b) 轴向拉压循环测试

图5试验与计算的P-Δ曲线对比

Fig.5Comparison of measured and predicted results of theP-Δ curve

(a) 有限元计算结果

(b) 试验测试结果

图6变形特征对比

Fig.6Comparison of the deformed shape

4不同构造T形钢连接半刚性节点性能分析

4.1不同构造节点性能参数比较

通过各种改进型构造节点与对照节点的数值模拟，可以对不同构造T形钢连接半刚性节点的滞回曲线、极限承载力、延性性能和耗能系数等抗震指标进行比较分析，限于研究侧重点的不同，本文暂不讨论模型尺寸大小以及对节点区梁柱截面剪切变形的影响程度。

①滞回曲线

滞回曲线是试件刚度、承载力、延性和耗能等性能的综合反映。图7为数值模拟得到的各试件P-Δ滞回曲线，从图7中可以看到：各T形钢连接梁柱半刚性节点梁端力—位移滞回曲线均表现出一定的捏缩特征。这是受到加载过程中高强螺栓的滑移，以及T型连接件与柱翼缘接触面之间受拉，面面之间的摩擦力减小的影响所致。其中，TF2和TF3试样的塑性变形能力较强。从滞回曲线的形状来看，TF3试件的滞回曲线呈梭形，曲线最为饱满；而TF0、TF1和TF4试件的滞回曲线呈弓形，TF2试件的滞回曲线则呈Z型，捏缩现象最明显。 从滞回曲线的面积来看，TF2试件的极限承载力最高，其耗能面积最大；TF1试件和TF3试件的极限承载能力相当，但TF3试件的耗能面积远大于TF1试件；TF4试件的耗能面积最小。综之，与其他四种构造形式相比，翼缘扩大的TF3试件塑性变形能力较强，滞回曲线饱满，耗能性能最优。

图7　各试件滞回曲线

②极限承载力

图8为三组试件极限承载力对比示意图，并将各试件极限承载力数值附于表4中。由图8及表4可知，与对比试件TF0相比，在原型试件的基础上对节点连接部位进行加强的TF1、TF2、TF3试件均有更强的承载能力。其中，TF2试件承载力提高最大，提高了1.8倍;TF1提高了29.3%，TF3提高了43.3%。因此，添加了抗剪连接件的加强型节点具有最好的承载能力。TF4试件与对比试件TF0相比极限承载力降低了5.1%，可知适当对梁端进行削弱会降低节点极限承载力但影响不太大。

图8　极限承载力对比

试件名称1TF0TF1TF2TF3TF4Fu/kN115.42149.24327.74165.38109.48Δy/mm20.6722.5038.1627.0723.20Δu/mm74.6158.59119.33119.6694.76μ3.382.643.114.413.88E1.471.311.051.912.12

1.其中Fu和Δu均为正反向极限荷载和极限位移的平均值，Δy为试件的屈服位移，μ为延性系数，E为节点耗能系数。

③延性性能

本文采用位移延性系数表示延性性能指标，试件的位移延性系数由试件的极限位移和屈服位移之比算得。μ值越大，节点延性越好。

μ=Δu/Δy，

式中，Δu为试件承载力下降到最大承载力的85%时的位移[12]，Δy为试件屈服时的位移。

图9　延性系数对比Fig.9　Comparison of displacementductility coefficient

表4列出了各试件的屈服位移、极限位移以及位移延性指标。图9为TF组试件的延性系数对比，由图9可以看出，削弱型试件TF4的位移延性系数较对比试件TF0增加了12.89%。加宽T形钢翼缘宽度的加强型试件TF3的延性系数为普通T形钢延性系数的1.3倍，表明增加节点的延性和削弱节点附近的梁截面均有助于增大节点的延性性能，且前者帮助更大。加强型试件TF1和TF2的连接刚度较强，在一定程度上限制了其变形能力，因此其延性与对比试件TF0相比稍差。

④耗能系数

耗能性能是指地震作用下结构构件发生变形并消耗地震能量的能力。本文衡量结构在地震中的耗能能力指标采用能量耗散系数E，E值越大表示耗能能力越好，E取滞回环的面积SABCD与同一位移下等效弹性体的耗能面积(SΔOBE+SΔODF)的比值,如图10。

由图11可以看出，与对比试件TF0相比，TF3试件和TF4试件的耗能系数较大，分别为普通T形钢节点的1.3倍和 1.4倍;而TF1试件和TF2试件的耗能系数较小。这是因为扩大了的T形板翼缘之后，使得TF3试件的抗弯能力大大增强;而TF4试件则是由于其破坏位置由T形板转移到了梁的截面削弱处，节点部位的梁翼缘变形增加，使得节点的变形能力增强。TF1试件和TF2试件的节点连接较强，变形能力不够，因此耗能系数较小。

图10能量耗散系数计算

Fig.10The energy dissipation coefficient calculation

图11耗能系数对比

Fig.11Comparison of energy consumption coefficient

4.2不同构造节点受力机理分析

从上述节点性能参数的比较可以看出:①翼缘扩大的TF3试样，各项性能均优于传统的T形钢节点TF0试样。在水平往复荷载作用下，对T形连接件的翼缘进行局部加强，可以使节点形成明显的塑性铰，避免T形钢翼缘和腹板连接处的应力高度集中导致的破坏，从而实现梁端塑性铰外移，有利于节点满足强柱弱梁的抗震设计原则。②梁端削弱的TF4试样承载能力较差，但延性和耗能性能均较为优异。梁端削弱位置成为节点的薄弱区域，实现了节点塑性铰的外移。但是梁截面刚度被削弱使得其极限承载能力降低。③添加腹板连接件的TF2试样的初始刚度和极限承载力均较普通T形钢节点大，腹板连接件分担了部分T形钢承受的剪力，但是限制了节点区域的变形，导致其延性和耗能性能较差。④TF1试样的应力集中部位在新加肋与T形钢翼缘和腹板之间，该部位的应力集中对节点的变形和耗能均有不利影响。

5结论

不同构造T形连接件对节点的承载能力、延性和耗能性能均有较为明显的影响。本文对四种包含不同T形钢构造的梁柱节点在循环荷载作用下的受力性能进行研究，结果表明：

①对连接部位进行加强改进的节点(如节点TF1和TF2)，其承载能力有所提高，但是这两种节点的延性和耗能性能表现不佳。

②对连接部位进行局部削弱改进的节点(如TF4)，其延性和耗能性能有所改善，但是这种节点的承载能力不足。

③翼缘扩大T形钢节点(TF3)的延性性能和耗能性能最为优异，其延性系数和耗能系数均为普通T形钢节点的1.3倍；其承载能力较普通T形钢节点提升了43.3%,是较为理想的T形钢连接节点构造形式。

参考文献：

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[11]李泽深, 李秀梅, 郑小伟, 等.T 形钢连接梁柱半刚性节点滞回性能试验研究及数值分析[J]. 建筑结构学报, 2014, 35(7): 61-68.

[12]中华人民共和国建设部.建筑抗震试验方法规程：JGJ101-96[S]. 北京：中国建筑工业出版社，1997.

(责任编辑唐汉民梁健)

Influence of different joints on structural performance of T-stub connections

LI Ze-shen， QIN Da-wei， ZHANG Ke-shi, LI Xiu-mei

(College of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University， Nanning 530004， China)

Abstract:Connections using T-stub and high strength bolt to join beam and column have good mechanical performance. The structural behaviors of the connections are strongly affected by the forms of joints. In order to study the influence of different T-stub structures on the mechanical performance of the connections, nonlinear finite element models were built by ABAQUS based on an experimental research. Through the numerical simulation analysis, the cyclic plastic characteristics of material, the contact of connection parts and the pre-tightening force of high strength bolts were considered in the models. The mechanical performances of connections with different forms of T-stub structures under cyclic loading were discussed. The simulation results prove that the enhanced connections improve carrying capacity but weaken ductility and energy dissipation performance. The weakened connections improve the deformation capacity and the energy dissipation performance but decline the carrying capacity. The ductility coefficient and energy dissipation coefficient of the widened T-stub connections are 1.3 times as large as those of the ordinary one, and the carrying capacity is increased by 43.3%, which shows that the widened T-stub connections have better structural behavior than others.

Key words:finite element method (FEM); T-stub structures; semi-rigid connections; constitutive model

中图分类号:TU391

文献标识码:A

文章编号：1001-7445(2016)01-0074-09

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0074

通讯作者：张克实(1954—),男，广西桂林人，广西大学教授，博士生导师，工学博士; E-mail: zhangks@gxu.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11272094)；广西区研究生教育创新计划项目(YCB2014021)

收稿日期：2015-06-05；

修订日期：2015-11-18

引文格式：李泽深，覃达威，张克实，等.不同构造T形钢连接节点受力性能分析[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(1)：74-82.