建筑钢结构进展第 卷 震能量 然而 年美国的 %.3! 地震和 * 年日本的阪神大地震后 在梁柱连接焊缝附近发生了 * 脆性破坏 这就从根本上改变了人们对梁柱焊接节点抗震性能的看法 螺栓连接开始得到广泛应用 * 框架结构中钢梁采用悬臂梁段与柱连接是规范 推荐使用的一种连接形式 这种节点因其短悬臂梁段

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1 第 卷第 期 年 月 建 筑 钢 结 构 进 展! " #$%$ &'$ 一种新型梁柱装配式刚性节点滞回性能研究 郁有升 张颜颜 李建峰 王 燕 $ 青岛理工大学土木工程学院 山东青岛 $ 青岛腾远设计事务所有限公司 青岛 摘 要 新型梁柱装配式节点通过在悬臂梁与框架梁的上 下翼缘交互处布置拼接板 并预先在钢结构加工厂里通过焊缝完成两侧拼接板与梁的连接 在现场通过螺栓进行固定的一种节点形式 利用有限元软件 &&/0 考虑材料 几何和接触状态 种非线性对该新型节点进行低周循环加载模拟 设计了 组 个试件 研究螺栓数目 盖板宽度及厚度 悬臂梁段长度等参数对节点滞回性能的影响 研究结果表明 由等强设计法设计的基本试件延性和耗能能力较好 螺栓数量 盖板宽度及厚度 悬臂梁段长度对节点的承载力和延性均有一定影响 根据有限元分析结果 对该新型节点的设计给出了建议 使盖板的横截面积大于梁翼缘横截面积 其比值宜控制在 $ $ 之间 悬臂梁段长度宜取 $ $ 倍梁高 关键词 新型梁柱装配式节点 材料 几何和接触非线性 有限元分析 滞回性能中图分类号 $ 文献标识码 & 文章编号! "# $ %&&' % '!"#$ % $ ". ) /!,1 ". ",0 -/!,., $/!,1 -, " $!$/!,., 0 *. --. $"+ & 2 ',3 ",! 3,+* *" + " " '!. ',' $4. " " ' " ',,," -',"! '',!2, ", 3,+,!,+ 3,+$.!. ' " ',,! 3,+, ' *" "!3-2!," -,!. 5! 3 " " $1. ' +, ". " "! "-" ",! +,! &&/0 2, 2. ".,"" +,, + ",!",", -$ ' " + ',!!!-. ","..- "3., " " "! !.,!. "6. " ',,!. ", 3,+$&,-! ",.,. " "!! 7,. +.!., 3!" -,! -! ', ",'," -$% !.,!. "6 " ',,!. ", 3,+., ", ". " " $& 3,!. +,,-. ",, " ', "++!! 3,.,., 3,+,,!.,.!3 "!2. $ $ $1.. ", 3,+.!3 "! 3 $ $ + 3,+.. $ 2',3 ",!3,+* *" + " " +,, + ",!",", - +,,-.- "3., 刚性钢框架因具有良好的抗震性能而被广泛采用 而梁柱连接节点在钢框架中起着举足轻重的作用 长期 以来 人们一直认为工地焊接的刚性梁柱连接具有很好的韧性 在地震作用下可以充分发展塑性变形以吸收地 收稿日期 收到修改稿日期 基金项目 国家自然科学基金 山东省优秀中青年科学家奖励基金 ( 作者简介 郁有升 男 博士 副教授 主要从事钢结构设计理论与工程应用方面的研究 )*+, --. $"+ 张颜颜 女 硕士研究生 主要从事钢结构设计理论与工程应用方面的研究

2 建筑钢结构进展第 卷 震能量 然而 年美国的 %.3! 地震和 * 年日本的阪神大地震后 在梁柱连接焊缝附近发生了 * 脆性破坏 这就从根本上改变了人们对梁柱焊接节点抗震性能的看法 螺栓连接开始得到广泛应用 * 框架结构中钢梁采用悬臂梁段与柱连接是规范 推荐使用的一种连接形式 这种节点因其短悬臂梁段与柱连接 柱呈树状而被国外学者命名为 树状柱 新 型梁柱装配式节点通过在悬臂梁与框架梁的上 下翼缘交互布置拼接板 并且预先在钢结构加工厂里通过焊缝完成两侧拼接板与梁的连接 在节点的现场安装过程中 两侧已经焊牢的拼接板充当耳朵板作用 使安装梁段快速就位 就位后 再用螺栓完成拼接板与另一侧梁上 下翼缘的连接 以及腹板的拼接 完成了梁柱刚性节点的安装 该梁柱刚性节点结构合理 传力明确 现场安装过程快速就位 无焊接 施工效率高 安全性好 既可提高安装效率 又避免了焊接引起火灾的风险 同时 该种节点在施工现场全部采用螺栓拼装 这给施工现场条件恶劣不方便施焊的工地 带来极大的方便 为了更好地研究该新型节点的滞回性能 本文对带悬臂梁段拼接的钢框架节点进行了有限元参数分析 考察不同设计参数对该新型节点滞回性能的影响 钢材屈服后的强度硬化以及超过极限应变后强度退化现象 如图 所示 根据所做的试验试验数据 ; $ % ++ ;$ &;$ 9 % ++ ; $ % ++ ; $ ' ; 泊松比 ;$ 焊条采用 ) 型 焊缝材料材性指标参考文献 确定 强化段参考文献 确定 ; % ++ ;$ &;$ 9 % ++ ; % ++ ;$ 螺栓材性指标取值参照国家标准 选用 $ 级 : 高强螺栓摩擦型连接 栓孔直径为 $ ++ 摩擦接触面抗滑移系数 ; $ 级螺栓的预拉力 ; 6% ; % ++ ;$ ;% ++ ; $ &;$ 9 % ++ 试件设计和有限元模型 试件设计 梁拼接的设计方法主要有 种 等强设计方法 实用设计方法 精确设计方法和简化设计方法 而对于有 抗震设防要求的连接节点 一般采用等强设计方法 以保证构件的连续性和节点具有良好的延性 等强设计方法在弹性阶段要求高强螺栓摩擦型连接与梁腹板净截面抗剪等强 而在弹塑性阶段 高强螺栓摩擦型连接转化为承压型连接 高强螺栓抗剪极限承载力提高 倍左右 一般都能满足弹塑性阶段极限抗剪承载力的验算要求 梁柱均为 8 形钢截面 柱截面取 梁截面取 梁长度取 $ + 梁拼接部分选用 $ 级 : 高强度螺栓 栓孔直径为 $ ++ 梁上 下翼缘盖板连接螺栓为单剪 腹板拼接螺栓为双剪 连接抗滑移系数取 $ 采用等强设计方法对节点拼接部位进行设计 螺栓数目为翼缘 个 腹板 个 与梁翼缘采用三面围焊连接的侧面角焊缝长度为 ++ 正面角焊缝的长度为 ++ 焊角尺寸 $ 为 ++& ) 试件几何尺寸如图 所示 图 试件几何尺寸 单位!"#$ "% & '" " 试件材料参数的选取梁柱试件采用 / 钢 应力 * 应变关系曲线采用考虑强化段和下降段的三折线模型 更加符合钢材在单向拉伸试验中表现出来的真实的应力 * 应变关系 能正确描述出 图 材料应力 应变关系!"#$ " " "' & "

3 第 期一种新型梁柱装配式刚性节点滞回性能研究 ( ( 网格划分及加载在有限元模型划分时 梁 柱分别采用 和 4 实体单元进行结构化网格划分 螺栓采用 4 扫掠网格划分 在栓杆上施加螺栓荷载来模拟高强螺栓的预拉力 考虑拼接板与梁翼缘和腹板的摩擦作用 在翼缘拼接板与梁翼缘 腹板拼接板与腹板之间设接触对 并定义摩擦属性 同时忽略栓杆与孔壁之间的摩擦 网格划分的精度与应力复杂程度相关 节点及螺栓计算模型的网格划分如图 所示 在高强螺栓拼接部位及节点域处网格划分较密 其它部位网格划分较稀疏 影响参数分析 通过改变螺栓数目 盖板宽度及厚度 悬臂梁段长度这 个参数 衍生出一系列分析试件 分析这些参数对该新型梁柱装配式节点滞回性能的影响 本文一共进行了 组 个试件的循环加载分析 各组试件尺寸及分析结果如下 拼接螺栓数目的影响为了研究螺栓数目对新型梁柱装配式节点滞回性能的影响 设计了 : 组试件 它们分别为 & ) :* :* 和 :* 试件 尺寸如表 所示 表,) 组试件尺寸明细表 -$," &,)" '" 螺栓数目盖板尺寸 ++ 悬臂梁段长度 ++ $ ( ( ' ( & ) 图 ( 有限元模型单元划分!"#$() " # &&" " 约束条件采用柱端施加限制所有自由度的固定约束 梁端截面的所有节点进行 方向位移耦合 外力以位移的方式施加于耦合面的主节点上 并在梁端距柱翼缘 $ + 左右的位置施加 方向的约束 相当于梁的平面外约束 试件模拟时荷载的施加顺序结合工程实际进行 首先施加螺栓的预拉力 6% 然后施加梁端循环荷载 根据文献 即首先模拟计算梁柱连接在正方向单向加载时的行为 单向加载时仅划分一个荷载步 位移为 ; ++ 分若干个子步 根据单向荷载作用下的荷载 * 位移曲线确定屈服位移 ; ++ 本文模拟分析的过程在梁端施加强制的位移 初始位移为屈服位移的 每次每级位移增量约为 当试件屈服前 每级荷载循环 次 屈服后 依次增加 倍屈服位移 每级荷载循环 次 加载制度如图 所示 :* :* :* 注 & ) 为基准试件 : 为梁翼缘和腹板螺栓数目变化的试件 $ 为梁翼缘螺栓数目 为梁腹板螺栓数目 ( 为盖板长度 ( 为盖板宽度 ' ( 为盖板厚度 采用等强设计方法设计的 & ) 试件拼接螺栓数目为翼缘 个 腹板 个 在此设计基础上 考虑增加和减少螺栓数目对该新型节点滞回性能的影响 采用比 & ) 试件减少 拼接螺栓的 :* :* 试件和增加 左右拼接螺栓的试件 :* 与 & ) 试件对比 在循环荷载作用下 & ) 及 : 试件的滞回曲线如图 所示 从形状上看 & ) 试件的滞回曲线明显比 :* 饱满 :* :* 试件的滞回性能则优于 & ) 试件 直到破坏都没有出现荷载突变现象 说明试件没有出现螺栓滑移 :* 试件在梁端位移达到 $ 时螺栓出现了滑移 但该试件仍能完成 的位移循环 & ) 及 :* :* 试件达到极限位移时的承载力分别为 $6%$ 6% $ 6% 和 $ 6% 可见 减少螺栓数目会使节点的极限承载力下降 而增加螺栓数目则会使节点的延性和极限承载力有所提高 但提高的幅度不大 图 * 加载制度!"#$*+ " # 盖板宽度的影响为了研究盖板宽度对新型梁柱装配式节点滞回性能的影响 设计了 组试件 它们分别为 * * * 和 * 试件 尺寸如表 所示

4 * 建筑钢结构进展第 卷 & ) 试件的饱满 * 为盖板宽度增至 ++ 的试件 适当增加盖板长度可以得到滞回性能较好的节点试件 而当盖板长度增加到 ++ 时 试件的滞回曲线呈现出梭形 组试件达到极限位移时的承载力分别为 $6% $ 6% $ 6%$ 6% 由以上分析可知改变盖板宽度对节点延性有一定的影响 ( 盖板厚度的影响为了研究盖板厚度对新型梁柱装配式节点滞回性能的影响 设计了 1 组试件 它们分别为 1* 1* 1* 和 1* 试件 尺寸如表 所示 表 ( - 组试件尺寸明细表 图.,) 组试件滞回曲线!"#$./ "01 &,)" '" -$(," & -" '" 螺栓数目盖板尺寸 ++ 悬臂梁段长度 ++ $ ( ( ' ( 表 组试件尺寸明细表 -$," & " '" 螺栓数目盖板尺寸 ++ 悬臂梁段长度 ++ $ ( ( ' ( & ) 1* 1* 1* & ) * * * * 注 为盖板宽度变化试件 其余参数同表 组试件是盖板宽度由 ++ 增加到 ++ 的试件组 该组试件的滞回曲线如图 所示 1* 注 1 为盖板厚度变化试件 其余参数同表 该组试件在循环荷载作用下的滞回曲线如图 所示 比较 1* 1* 试件的滞回曲线可以看出 盖板厚度对连接节点性能有较明显的影响 适当增加盖板厚度 其滞回曲线将更加饱满 延性更好 初始刚度增大 极限承载力有较大提高 原因在于增大盖板厚度 可以减少螺栓中的杠杆力 对螺栓受力有利 但当盖板厚度增加到 倍梁翼缘厚度时 节点的滞回性能明显减弱 达到极限位移时的承载力降低为 $ 6% 图 组试件滞回曲线!"#$ / "01 & " '" 由图可见 宽度为 ++ 的 * 的滞回曲线不如 图 - 组试件滞回曲线!"#$ / "01 & -" '"

5 第 期一种新型梁柱装配式刚性节点滞回性能研究. 综合以上对梁上 下翼缘盖板宽度和厚度的分析 可以看出 当盖板横截面积与梁翼缘板横截面积的比值在 $ $ 之间时 该新型梁柱装配式节点在梁端位移为 ++ 左右时 螺栓即出现滑移 节点的滞回曲线呈梭形 延性较差 而当其比值在 $ $ 之间时 节点的耗能能力较低 但当其比值在 $ $ 之间时节点表现出良好的延性及耗能能力 因此盖板横截面积与梁翼缘板横截面比值宜控制在 $ $ 之间 装配式节点在梁端位移为 ++ 左右时 螺栓即出现滑移 节点的滞回曲线呈梭形 耗能能力较差 而当其比值在 $$ 之间时 节点的耗能能力较低 但当其比值在 $ $ 之间时 节点表现出良好的延性及耗能能力 同时为了便于构件的运输和安装 建议悬臂梁段长度取 $ $ 倍梁高为宜 ) 悬臂梁长度的影响为了研究悬臂梁段长度对新型梁柱装配式节点滞回性能的影响 设计了 组试件 它们分别为 * * * * * 和 * 试件 尺寸如表 所示 表 * + 组试件尺寸明细表 -$*," & +" '" 悬臂梁段螺栓数目盖板尺寸 ++ 比值长度 ++ $ ( ( ' ( & ) $ * $ * $ * $ * $ * $ * $ 注 为悬臂梁段长度变化试件 为悬臂梁段长度与梁截面高度之比 其余参数同表 对于该新型梁柱装配式节点 悬臂梁段的长度对节点的滞回有较大影响 高层民用建筑钢结构技术规程 中要求 悬臂梁段的长度一般距柱轴线不超过 $ + 文献 指出拼接节点一般设在内力较小的位置 但考虑施工安装的方便 通常是设在距梁端 跨长或两倍梁高范围之外并不大于 $ + 为了得到该新型梁柱装配式节点适当的悬臂梁段长度 对不同悬臂梁段长度节点的滞回性能进行了分析 组试件的滞回曲线如图 所示 可以看出 试件的滞回曲线受悬臂梁段长度的影响明显 * * 试件在梁端位移为 时出现拼接滑移 达到极限位移时的承载力分别为 $ 6% $ 6% 这比 & ) 试件降低了 而 * * 试件的滞回曲线形状较为饱满 没有出现螺栓滑移 * * 试件出现了螺栓滑移 同时达到极限位移时的承载力分别为 $ 6% $ 6% 由此可见拼接位置对试件的内力影响较大 当悬臂梁段长度与梁高的比值在 $ $ 之间时 该新型梁柱 图 + 组试件滞回曲线!"#$ / "01 & +" '" ( 结论 由等强设计方法设计的基本试件的延性和耗能能力较好 在此基础上分别研究了螺栓数目 盖板宽度及厚度 悬臂梁段长度对节点的极限承载力和延性的影响 得到以下结论 减少螺栓数目会使节点的极限承载力下降 而增加螺栓数目则会使节点的延性和极限承载力提高 但提高的幅度不大 为充分利用拼接区的螺栓滑移来耗散能量 不建议过多地增加高强螺栓的数量 盖板宽度及厚度对节点的滞回性能有一定的影响 建议设计中应使盖板的横截面积大于梁翼缘横截面积 其比值宜控制在 $ $ 之间 且盖板厚度不应小于梁翼缘厚度 悬臂梁段长度是影响节点滞回性能的重要参数 经过对比分析可知悬臂梁段长度宜取 $ $ 倍梁高 下转第 页

6 上接第. 页 参考文献, /.,, %,$&,, + " " " 2.' 3,+ 2 3 *++,+?$&!, " ", ) * 王燕 王玉田 郁有升 $ 扩翼式连接钢框架抗震性能试验研究 $& + ",,'',". +!,*,! +,!,'' ",. %.!,.7,6?$ -,+ ",! ),.7,6 ) * B,6 :46!, $# 5' " "++ -.!., 8,. *&2,C ),.7,6?,',?$%,!8,. " " *?$ 建筑钢结构进展 *,,,,. $)5' +,!- + "' +, ",+ 2. 2!!3,+, " "?$! " *.?? 高层民用建筑钢结构技术规程 $ 北京 中国建筑工业出版社?? 1 ". ", ' " ", " 1,! $ C.,&". " A!. 建筑抗震设计规范 $ 北京 中国建筑工业出版社! + "! $ C., &". " A!... *... *...*8, $ " ++ " "! " + * ++ *,+?$?, ",,". * 郁有升 $ 一种钢结构梁柱装配式刚性节点 中国 $$* *. $&!" "., +3 3,+* * " +., $$* *. 钢结构设计手册编辑委员会 $ 钢结构设计手册 :$ 版 $ 北京 中国建筑工业出版社 )!, ++ " :,,$ "! +,, : $!!$ C., &". " A!. 刘坤 王士奇 王玉华 $ 钢结构梁柱栓焊混合连接节点的设计方法?$ 钢结构 * B,. 7,.,$,".! +.! 3!*2!! "+3! C 3,+* " +?$ " *. 杨文 石永久 王元清 等 $ 螺栓端板连接节点加固后承载性能有限元分析?$ 工程抗震与加固改造 *,. C,, 7,$( +,,-!*', " "?$),.7,6, ),! *. 1 钢结构用高强度大六角头螺栓 大六角螺母 垫圈技术条件 $ 北京 中国标准出版社 1 ' " ", , 8 5, 8,!, 8 5, %,,. " $ C.,,!,!.?? 建筑抗震试验方法规程 $ 北京 中国建筑工业出版社?? ' " ", 1 :.! ),.7,6,! $ C.,&". " A!.

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