钢结构梁柱T型连接节点力学性能分析.docx

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钢结构梁柱T型连接节点力学性能分析

钢结构梁柱T型连接节点的力学性能分析*

摘要：

为深入对比分析T型连接件各参数变化对节点力学性能的影响，利用ANSYS有限元结构分析软件建立了10个不同构造尺寸的三维有限元计算模型，并对其进行单向静力荷载作用下的有限元分析。

研究了翼缘板厚度、螺栓直径及螺栓平面构造等几何参数变化对其力学性能的影响。

分析结果表明：

T型连接节点具有较高的承载能力以及较强的塑性变形能力；改变T型连接件翼缘板厚度、螺栓直径以及螺栓中心至腹板边缘的距离对T型连接节点的力学性能均有明显影响；增加T型连接件翼缘板厚度和螺栓直径，可以提高T型件连接节点承载力，减小连接板件的变形和撬力。

关键词：

T型连接件；高强螺栓；节点承载力；三维有限元模型

1概述

近年来，钢框架梁柱T型连接节点以其良好的承载力、抗震性能以及造价经济、施工快捷、安装方便等优点，在钢结构工程领域中得到了广泛应用。

T型连接节点是采用T型连接件通过高强螺栓将梁柱连接的一种特殊节点形式（图1a），在梁端弯矩作用下水平力通过梁翼缘经抗剪螺栓以及T型件腹板传递给T型件翼缘和抗拉螺栓，T型件翼缘在较大的拉力作用下发生弯曲变形而产生接触力作用，对抗拉螺栓的受力产生较大影响，从而使整个节点表现出复杂的力学性能，故有必要针对T型件连接节点的力学性能开展深入研究。

目前，国内外有很多学者［1-6］针对梁柱T型连接节点进行了大量试验研究和有限元分析，深入研究了T型连接节点的刚度、承载力及螺栓拉力和撬力的分布规律，并提出T型连接节点受拉区的简化分析模型（图1b），但目前针对T型连接件几何参数变化对节点力学性能影响的研究较少，故本文利用ANSYS有限元结构分析软件，采用简化T型连接节点模型（图1b），通过改变T型件翼缘板厚度、螺栓直径及螺栓平面构造等参数，深入研究其对T型连接节点力学性能的影响，以其为工程应用提供参考。

2有限元模型的建立

2.1试件设计

本文采用ANSYS有限元结构分析软件建立10个T型连接节点的简化模型（图1b），对其进行静力荷载作用下的有限元分析，深入研究T型连接件翼缘板厚度、螺栓直径及螺栓平面构造等参数变化对其力学性能的影响。

试件T1-1-试件T1-3考虑了翼缘板厚度t1的变化及影响，其厚度t1取值分别为12，17，20mm；试件E3-1、试件E3-2考虑了螺栓中心到翼缘板边缘距离e1的变化及影响，其中e1取值分别为45，55mm；试件S6-1、试件S6-2考虑了螺栓中心到翼缘板侧边缘距离s的变化及影响，s取值分别为36，45mm；试件D2-1、试件E4-1和试件G5-1还分别考虑了螺栓直径d、螺栓中心到腹板边缘的距离e2及螺栓横向间距g的变化及影响。

试件均采用剖分T型钢，试件各参数取值见表1，详细尺寸如图1c所示。

图1梁柱T型连接节点及简化模型

表1试件截面尺寸及参数mm

试件编号截面类型t1t2de1e2gsT1-1TM300×300×12×1717121650508040T1-2TW150×300×12×1212121650508040T1-3TM300×300×12×2020121650508040D2-1TM300×300×12×1717122050508040E3-1TM300×300×12×1717121645508040E3-2TM300×300×12×1717121655508040E4-1TM300×300×12×1717121650658040G5-1TM300×300×12×1717121650506540S6-1TM300×300×12×1717121650508036S6-2TM300×300×12×1717121650508045

2.2单元的选择及网格划分

T型连接件和高强螺栓均采用十结点六面体单元Solid92进行模拟，螺母与翼缘板、螺栓头与翼缘板、螺栓杆与孔壁之间均设置三维接触单元，目标单元选用Targe170单元，接触单元选用Contact174单元，滑移摩擦系数取0.45，并采用Prets179单元模拟高强螺栓中的预拉力。

高强螺栓连接副包括螺栓头、螺母和垫片，其中垫片厚度不单独考虑，将其计入螺栓头和螺母厚度中。

螺栓和螺母的型号及尺寸分别按照文献［7-8］的要求选取，建模时不考虑螺纹影响，按有效直径圆柱体模拟。

网格划分后的简化T型连接节点、高强螺栓有限元模型及预拉力单元如图2所示。

图2有限元模型的网格划分

2.3材料特性

图3材料本构关系

试件所用钢材均为Q235钢，螺栓采用10.9级摩擦型连接高强螺栓，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3。

钢材的本构关系采用多线性随动强化三折线模型，如图3a所示。

材料各项力学性能取值分别为：

屈服强度fy=235MPa（当板厚大于16mm时为225MPa），极限强度fu=460MPa（当板厚大于16mm时为450MPa），屈服应变εy=0.114×10-2，极限应变εu=12×10-2。

高强度螺栓（包括螺栓头、螺母及螺栓杆）材料特性采用三折线应力-应变曲线［9］，如图3b所示，当应变ε在（1～2）εy范围时，为初始硬化阶段，切线模量为0.10E0；当应变ε在（2～8）εy范围时，切线模量取为0.05E0，最终达到极限应力fu。

2.4边界条件及加载

T型连接节点施加约束时，在腹板一端施加X、Y、Z三个方向固定约束，将另一侧腹板端部截面上所有节点进行平面内（X方向）位移耦合（见图4），并在耦合面主节点处施加轴向荷载，采用位移控制的静力加载模式，加载简图如图5所示。

图4边界约束及加载耦合点

图5T型节点加载示意

加载共分为两部分：

第一部分施加螺栓预拉力，关闭自动时间步长，仅用一个荷载子步直接施加预拉力；第二部分通过多个荷载步逐渐施加轴向位移荷载，取初始位移荷载为2mm，每级荷载增量为2mm，逐级增加，直到试件破坏。

在第二荷载步中，首先锁定第一步中施加的螺栓预拉力，使其产生预紧效果，并施加一个较小的荷载，采用小变形静力分析，以便获取弹性阶段信息。

从第三荷载步开始采用大变形静力分析，并采用多个荷载子步加载。

采用自动时间步长，打开NLGEOM和PRED命令，采用PCG（共轭梯度法）进行求解。

其中螺栓预拉力值按照文献［10］规定，M16和M20预拉力设计值分别为100kN和155kN。

3有限元计算结果分析

3.1破坏过程描述及分析

3.1.1翼缘板厚度对承载力影响

试件T1-1-试件T1-3考虑翼缘板厚度t1的变化及影响，其厚度t1分别取12，17，20mm。

图6为试件T1-1在加载各阶段的变形。

螺栓施加预拉力后，两翼缘板处于紧密接触状态（图6a）；荷载施加至432.9kN的过程中，两翼缘板仍处于接触状态，基本无缝隙（图6b）；当荷载超过432.9kN，翼缘与腹板相交处逐渐有可见缝隙，随荷载增加缝隙逐渐增大。

加载至522.3kN时，翼缘板间有明显缝隙并伴随发生塑性变形（图6c）；随着荷载的增加，试件变形进一步增大，当荷载达到561.9kN时，翼缘板间的变形呈现“张口”状态（图6d），螺栓杆发生明显颈缩现象，此时翼缘板和螺栓杆均不适宜继续承载，停止加载。

由此可以看出：

当螺栓杆和翼缘板强度相当时，在荷载作用下，螺栓杆和翼缘板伸长量接近相同，几乎同时达到极限承载力。

最终破坏时，螺栓被拉断、翼缘板在与腹板相交处发生明显塑性变形。

图6试件T1-1加载各阶段变形

图7试件T1-2加载各阶段变形

图7为试件T1-2在加载各阶段的变形。

螺栓施加预拉力后，两翼缘板紧密接触（图7a）；加载至273.3kN的过程中，翼缘板出现肉眼可见的微小变形（图7b）；当荷载超过273.3kN时，翼缘板变形随荷载增加而增大，试件逐渐进入屈服承载力状态；加载至355.6kN时，翼缘板间出现明显缝隙（图7c），并伴有塑性变形产生；随着荷载持续增加，翼缘板变形继续增大；当荷载达到384.5kN时，翼缘板产生较大塑性变形，板间变形呈现“张口”状态（图7d），此时翼缘板因发生过大变形而不适宜继续承载，停止加载。

可见：

当螺栓直径较大、翼缘板较薄时，即螺栓刚度大于翼缘板的刚度时，在荷载作用下，螺栓杆的伸长量小于翼缘板的变形量，在翼缘板边缘形成接触力，即撬力作用。

最终破坏时，翼缘板与螺栓接触处以及与腹板相交处均发生明显塑性变形。

图8所示为试件T1-3在加载各阶段的变形。

螺栓施加预拉力后，两翼缘板紧密接触（图8a）；加载至420.7kN，两翼缘板仍处于紧密贴合状态（图8b）；继续增加荷载，试件进入屈服承载力状态；荷载达到538.7kN时，翼缘板出现肉眼可见的微小变形（图8c），螺栓杆出现颈缩；加载至598.6kN，螺栓杆发生断裂破坏（图8d），停止加载。

可以看出：

当翼缘板刚度大于螺栓时，在荷载作用下，翼缘板几乎无变形产生，螺栓杆有较大伸长量，在螺栓达到极限承载力时，螺栓杆被拉断，而翼缘板仍处于弹性阶段，翼缘板边缘无撬力作用产生。

图8试件T1-3加载各阶段变形

通过以上分析可见，随着翼缘板厚度增加，试件在荷载作用下的变形能力逐渐减小，破坏形态由翼缘板破坏逐渐转向螺栓杆被拉断。

3.1.2螺栓直径对承载力影响

在试件T1-1基础上考虑螺栓直径的变化及影响，衍生试件D2-1。

图9为试件D2-1在加载各阶段的变形。

从图9中可以看出：

施加螺栓预拉力后，两翼缘板处于紧密接触状态（图9a）；在荷载施加至448.1kN的过程中，翼缘板未产生肉眼可见变形（图9b），试件处于弹性承载力状态；荷载超过448.1kN时，随着荷载增加，试件逐渐进入屈服承载力状态。

荷载达到601.2kN时，翼缘板间出现微小缝隙（图9c），腹板开始发生屈服变形；加载至625.6kN时，因腹板屈服（图9d）而不适宜继续承载，视为试件破坏，停止加载。

与试件T1-1对比可见：

随着螺栓直径增加，试件变形能力逐渐减小，破坏形态由翼缘板和螺栓破坏逐渐转向腹板破坏。

3.1.3螺栓位置对承载力影响

1）螺栓中心至翼缘板边缘距离e1。

在试件T1-1基础上考虑螺栓中心至翼缘板边缘距离的变化及影响，衍生出试件E3-1、试件E3-2。

图10、图11分别为试件E3-1、E3-2加载各阶段变形。

与试件T1-1对比可以看出：

在加载过程中，试件E3-1和试件E3-2的变形能力和破坏形态与试件T1-1类似，最终以螺栓杆断裂及翼缘板发生过大塑性变形而破坏。

可见，通过改变螺栓中心至翼缘板边缘距离对试件破坏形态和变形能力基本无影响。

图9试件D2-1加载各阶段变形

图10试件E3-1加载各阶段变形

图11试件E3-2加载各阶段变形

图12试件E4-1加载各阶段变形

2）螺栓中心至腹板边缘距离e2。

在试件T1-1基础上考虑螺栓中心至腹板边缘距离的变化及影响，衍生出试件E4-1。

图12所示为试件E4-1加载各阶段变形，与试件T1-1对比可得，在荷载作用下，试件E4-1的变形能力明显大于试件T1-1，试件E4-1最终以翼缘板过早屈服而破坏。

由此可知：

改变螺栓至腹板边缘的距离，对试件的破坏形态和变形能力均有较大影响。

增加螺栓中心到腹板边缘的距离，翼缘板变形能力提高，试件的破坏形态由螺栓和翼缘板破坏逐渐转向翼缘板屈服破坏，原因是随螺栓中心至腹板边缘距离的增加，螺栓对翼缘板的约束作用逐渐减弱，导致翼缘板变形增加，过早发生屈服而破坏。

整个加载过程中，翼缘板变形较大，板边缘产生撬力作用。

3）螺栓横向间距g及螺栓中心至翼缘板侧边缘距离s。

图13试件G5-1加载各阶段变形

图14试件S6-1加载各阶段变形

图15试件S6-2加载各阶段变形

在试件T1-1的基础上考虑螺栓间距的变化及影响，衍生出试件G5-1。

为考虑螺栓中心至翼缘板侧边缘距离的变化及影响，衍生出试件S6-1和试件S6-2。

图13-图15分别为试件G5-1、S6-1、S6-2加载各阶段变形，与试件T1-1对比分析可见：

试件G5-1、S6-1、S6-2的变形能力和破坏形态与试件T1-1类似，即改变螺栓横向间距和螺栓中心至翼缘板侧边缘的距离对试件的破坏形态和变形能力基本无影响。

综上所述，改变T型件翼缘板厚度、螺栓直径及螺栓中心至腹板边缘的距离对节点破坏形态和变形能力的影响较大，而改变螺栓平面布置构造参数对其影响较小。

3.2承载力分析

从图16、表2可以看出：

翼缘板厚度和螺栓直径对节点承载力影响较大，随翼缘板厚度和螺栓直径增加，承载力均有显著提高，其中，试件D2-1的极限承载力最大，较试件T1-1提高11%；当e1、s和g发生变化时，各试件屈服承载力和极限承载力与试件T1-1相比，变化均在+5%范围以内；试件E4-1的屈服承载力和极限承载力分别为349.4、481.3kN，较试件T1-1分别降低8%、14%，即随螺栓至腹板边缘距离e2的增大，承载力呈明显减小的趋势，主要原因是随螺栓到腹板边缘距离增大，翼缘板弯曲变形增加、整体刚度降低，从而导致整个试件的承载力降低。

综上所述，改变翼缘板厚度、螺栓直径及螺栓中心到腹板边缘距离，对T型连接节点的承载力影响较为显著，而改变螺栓平面构造参数对承载力影响相对较小。

图16静力荷载作用下荷载-位移曲线

表2各试件承载力汇总

注：

极限承载力比值表示各试件的极限荷载与基本试件T-1极限荷载的比值。

试件编号屈服荷载/kN极限荷载/kN极限承载力比值T1-1T1-2T1-3D2-1E3-1E3-2E4-1G5-1S6-1S6-21.000.721.071.110.981.040.860.950.961.02448.20289.90455.10476.04423.30453.40349.40417.30425.60450.20561.90384.50598.60625.60533.80582.50481.30512.40537.90573.05

4结论

1）T型连接节点具有较高的承载能力以及较强的塑性变形能力，体现出节点的半刚性特征。

2）改变T型连接件翼缘板厚度、螺栓直径以及螺栓中心至腹板边缘的距离对T型连接节点的力学性能均有显著影响，而改变螺栓平面构造参数对节点力学性能影响较小。

3）增加T型连接件翼缘板厚度和螺栓直径，可以显著提高T型件连接节点承载力，减小连接板件的变形和撬力影响，在工程设计时可以通过调整翼缘板厚度和螺栓直径，改善节点的力学性能。

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FINITEELEMENTANALYSISONMECHANICALPROPERTIESOFBEAM-COLUMNTCONNECTIONSOFSTEELSTRUCTURE