探讨钢结构装配式梁柱的连接节点性能

探讨钢结构装配式梁柱的连接节点性能

关蕴博

中建新疆建工（集团）有限公司宁夏分公司宁夏银川750000

摘要：近年来，装配式钢结构已成为建筑钢结构发展的新方向和新趋势，装配式钢结构作为全寿命周期的绿色建筑，具有标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理等特点。其中研究建筑钢结构的震后功能可快速恢复，亦成为结构抗震领域的前沿热点问题，但亟需研发适用于建筑产业化且震后可恢复功能的新型装配式梁柱节点，使结构从整体损伤向局部可更换构件损伤转变，从难以修复甚至不可修复结构向可快速修复结构转变，从单一追求结构抗倒塌能力向兼顾结构震后可恢复功能转变，以求充分发挥装配式钢结构建筑性能的优越性。

关键词：钢结构；装配式建筑；梁柱连接点；抗震性

1.节点组成

图1所示梁柱节点由带悬臂梁段圆钢管柱、普通梁段及两者之间的连接装置组成。带悬臂梁段圆钢管柱由上圆钢管柱、中圆钢管柱、下圆钢管柱、上部环形隔板、下部环形隔板、悬臂梁段腹板及悬臂梁段端板焊接而成;普通梁段由普通工形梁和端板焊接而成;连接装置由上翼缘连接盖板，下翼缘连接盖板及高强螺栓组成。节点整体如图1b所示。此节点除了具备生产工厂化、施工装配化等优点外，还具备以下优点:1)翼缘单盖板的连接方式便于让悬臂梁段下翼缘连接盖板作为中间梁段的支承，使得梁柱节点高空安装更加便捷，易于现场快速安装和拆卸;2)在两端板之间预留缝隙，不仅可以增大节点的转动能力，还能使翼缘连接盖板产生变形，以提高节点的耗能能力;3)调整连接板厚度、螺栓等设计参数，可将梁端塑性铰转移到可更换的翼缘连接盖板上，确保带悬臂梁段圆钢管柱及普通梁段无损坏或轻微损坏，震后只需更换翼缘连接盖板和高强螺栓即可达到震后修复的效果。

a—端板型装配式梁柱节点组成;b—端板型装配式梁柱节点整体。1—连接装置;2—普通梁段;3—带悬臂梁段的圆钢管柱;4—上翼缘连接盖板;5—上圆钢管柱;6—上部环形隔板;7—中圆钢管柱;8—下部环形隔板;9—下圆钢管柱;10—普通梁段端板;11—高强螺栓;12—下翼缘连接盖板;13—悬臂梁段端板;14—悬臂梁段肋板。

图1端板型装配式钢结构梁柱节点

2.钢结构构件梁柱节点设计

1）全焊节点

梁端弯矩主要由梁翼缘承担，梁端剪力则主要由梁腹板承担。

（2）高强螺栓连接节点

①摩擦型高强度螺栓。②承压型高强度螺栓。

（3）栓焊混合连接节点

国外近期关于的地震破坏的资料表明，定位螺栓联合焊接的方式将是高层、超高层钢结构工程的首选。这种连接的优势在于不但可以保证节点属于刚性连接，同时结构可以承受动力荷载，经过反复加载后节点承载能力基本没有降低。

3.有限元数值研究

3.1有限元模型建立

本文采用有限元软件ABAQUS6.14－2对高强螺栓型钢连接节点进行有限元分析。其中，肋板、法兰板、盖板、螺母及螺栓采用C3D8Ｒ单元，螺栓简化为光滑圆柱体，直径取螺栓有效直径30mm。钢材采用二折线弹塑性模型，遵循von-Mises屈服准则。用GeneralContact来模拟法兰板与法兰板、法兰板与垫板、垫板与螺栓之间的接触，并对螺栓施加预紧力。图2为螺栓钢板连接节点有限元模型。

模型上侧边界面施加固定约束，下侧边界面耦合在参考点上，于参考点上施加滑动约束，约束其X、Y向的位移和转角以及Z向的转角，并在耦合点处施加沿连接件Z向的荷载，以实现对连接件的均匀加载。荷载的施加分两步完成:第一步对预紧单元施加1kN预紧力，第二步对整个连接件施加荷载。加载方法与试验加载方法保持一致。

a—构件应力分布和变形;b—试件变形。

图3数值与试验变形比较

3.2.2荷载－位移曲线

图5为构件试验与有限元模拟的荷载－位移曲线比较。可以发现:有限元模拟结果与试验结果大体一致，初始阶段的模拟结果与试验结果存在一些差异，这有可能是试验加载初期钢板与螺栓之间存在的滑移所致。

式中:N为受拉承载力设计值;f为法兰板钢材抗拉强度设计值;ef为螺栓

中心至肋板的距离;ew为螺栓中心至盖板的距离;bs为肋板宽度;b为法兰板宽度;t1为法兰板厚度。

根据该式计算得到构件承载力设计值(弹性范围内)为304.8kN，通过试验测得构件屈服荷载为391.2kN。该节点中，螺栓主要承受来自法兰板对其的拉力，故在螺栓设计时，主要考虑螺栓的抗拉设计承载力。而本文中采用10.9级M30的高强螺栓，其抗拉设计承载力为284kN，由此得出该公式是合理的。

3.3.2法兰板变形计算

从试验中发现构件变形主要集中在法兰板之间，而当法兰板变形s过大时，整体混凝土梁柱节点在该处会产生严重开裂，从而引起整个梁柱节点的承载能力和耗能能力的下降。因此必须对法兰板变形进行计算。

(2)

式中:法兰板长为154mm，宽为106mm;当t1=25mm，t2=12mm时，算出s=13.5mm，这与试验数据得到的10.5mm相差不大。

结束语

通过试验结果发现构件变形主要集中在法兰板之间，故法兰板变形是一个重要的设计指标。通过软件分析发现，随着法兰板厚度的增加，法兰板变形随之减小;随着肋板厚度的增加，法兰板变形也随之减小。故法兰板厚度和肋板厚度是影响法兰板变形的两个重要因素。

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