H型钢梁柱新型全栓接节点的试验研究与有限元模拟_李祖玮.pdf

第 39 卷第 1 期2023 年2 月结构工程师Structural EngineersVol.39，No.1Feb.2023H型钢梁柱新型全栓接节点的试验研究与有限元模拟李祖玮1 潘文2，*蒋文龙3（1.江苏工邦振控科技有限公司，无锡 214400；2.昆明理工大学建筑工程学院，昆明 650000；3.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，昆明 650000）摘 要 为研究一种H型钢梁柱新型全栓接节点的性能，制作了4个不同构造方式的新型和传统全栓接节点进行对比试验，并建立有限元分析模型与试验结果进行对比。试验和有限元分析主要研究节点的半刚性特性、M-骨架曲线、滞回曲线、破坏模式和应力分布情况。结果表明：有限元分析结果与试验值吻合度较高，新型全栓接节点强轴方向的性能和破坏模式与传统栓接节点基本一致，均为梁端部出现塑性铰，避免节点及柱子出现严重损伤；其弱轴方向的性能和破坏模式与传统栓接节点差异较大，具有更好的承载能力、滞回性能及延性，节点及柱子的损伤较小。关键词 H型钢，全栓接，半刚性，承载能力，延性Experimental Study and Finite Element Modeling on a New Fully Bolted Connection for H-shaped Steel Beam ColumnLI Zuwei1 PAN Wen2，*JIANG Wenlong3（1.Jiangsu Goodbang Vibration Control Technology Co.，Ltd.，Wuxi 214400，China；2.Kunming University of Science and Technology，Kunming 650000，China；3.Kunming Prospecting Design and Research Institute of China Nonferrous Metals Industry CO.，LTD.，Kunming 650000，China）Abstract Four fully bolted connections in both new and traditional types have been made by different construction modes for comparative experiment，and a finite element analysis model has been established to compare with those experiment results，so as to research the performance of a new type of fully bolted connection for H-shaped steel beam column.The experiment and the finite element analysis have mainly studied the semi-rigid characteristics，the M-skeleton curve，the hysteretic curve，the failure mode and the stress distribution of the connection.According to these results，the finite element analysis is in good alignment with the experimental value.The performance and the failure mode of the new fully bolted connection in its strong axial direction are basically the same as those of the traditional bolted connection.In both types of connections，a plastic hinge appears at the beam end，which avoids severe damages to connections and columns.The performance and the failure mode of the new fully bolted connection in its weak axial direction have demonstrated large differences from those of the traditional bolted connection.The former displays better bearing capacity，hysteretic behavior and ductility.Therefore，damages to connections and columns are small.Keywords H-shaped steel，fully bolted connection，semi-rigidity，bearing capacity，ductility收稿日期：2021-09-07基金项目：国家自然科学基金项目（51168024）作者简介：李祖玮，男，硕士，工程师，主要从事工程抗震方向。E-mail：*联系作者：潘 文，男，博士，教授，主要从事工程抗震方向。E-mail：DOI:10.15935/ki.jggcs.2023.01.007Structural Engineers Vol.39，No.1 Experiment Study0 引 言 传统的H型钢梁柱连接通常采用柱与梁翼缘焊接、螺栓固定在梁腹板上的方法1。在美国北岭地震和日本阪神地震中，多处梁柱节点出现脆性破坏，焊接缺陷引起人们关注2-4。半刚性连接能承受一定的弯矩和剪力，并有一定的转动能力，延性和抗震性能较好。全栓接H型钢梁柱节点常采用的方式有端板连接，角钢连接和T型件连接，国内外对其进行了大量研究。欧规5对连接节点的刚度进行了规定，当节点的初始转动刚度在（0.525）EI/L之间时（E、I、L分别为梁的材料弹性模量、二次惯性矩和长度），为半刚性；当节点刚度大于25EI/L时，则为刚性；Fang C等6对外伸端板采用SMA 螺栓连接的循环受载性能进行了理论和试验研究，结果表明，SMA连接具有良好的延性和耗能，适宜在地震工程中推广应用；Radziminski7对18个几何尺寸不同的顶底角钢连接节点进行试验研究，结果表明，梁截面的高度、角钢的厚度和螺栓的间距都会明显影响角钢节点的极限承载力和初始刚度；杨松森等8-9对加强式外伸端板连接进行了理论和试验研究，结果表明，梁与柱采用高强度螺栓与外伸端板构件连接后，节点的变形和耗能能力显著提高；宋文龙等10对梁柱弱轴采用顶底角钢加强式连接方式进行研究，结果表明，这种方式可以有效提高节点的承载力、延性及耗能性能，使得塑性铰外移，避免节点区域的破坏；Takhirov等11对T型件连接节点进行了数值模拟，发现T型件翼缘厚度增加、螺栓直径增大可使梁柱T型件节点刚度增大；布欣等12、徐其功等13、李秀梅等14、李美红等15对不同构造加强形式的T型连接节点进行了理论分析和试验研究，结果表明，T型节点具有较好的承载能力、延性、滞回性能。上述研究表明，半刚性连接节点具有较好的承载和抗震性能。但迄今为止，多数试验和研究是针对柱强轴连接和单向连接进行16-18，对柱弱轴连接的研究较少。为此，蒋文龙等19-20研发出一种新型全栓接节点，进行试验和有限元模拟，并与传统半刚性节点对比，研究这种新型节点的半刚性特性、耗能性能、破坏模式等。1 试验简介 1.1试件设计本次试验制作了4个节点试件，分别为强轴新型全栓接试件HQZX，如图1（a）所示；强轴传统全栓接试件HQZJ，如图1（b）所示；弱轴新型全栓接试件HRZX，如图1（c）所示；弱轴传统全栓接试件HRZJ，如图1（d）所示。试件梁柱采用H型钢，钢材等级为Q235，连接件采用T型件（3种型号尺寸如图2所示），采用10.9级摩擦型高强螺栓进行装配连接，试件详细信息见表1。1.2材性试验按照 金属材料拉伸试验21的要求，设计出图1试件设计图Fig.1Specimen design124 试验研究 结构工程师第 39 卷 第 1 期12个标准试样并进行材料力学性能测试。试件设计如图3所示，材性测试结果见表2。1.3试验方案试验采用竖向加载方式，先对钢柱施加轴向力25 kN，轴压比为0.2，且在整个过程保持恒定，然后在梁端部施加竖向位移荷载，加载装置如图4所示。试件从开始到破坏采用位移加载法加载，加载位移60 mm前，加载步长为6 mm，每步循环一圈；60 mm后，加载步长为30mm，每步循环三圈，加载控制速度为1 mm/s。当试件加载至出现以下现象时即结束加载：节点承载力降低到峰值荷载的85%以下；节点区域梁下翼缘明显屈服；节点出现断裂破坏。1.4节点转角的计算节点转角是反映节点性能的重要指标。试验采用挠度法来测量转角22。挠度法通常是通过测量梁端竖向位移f来计算节点转角，试验所测的f包括4部分：f=f1+f2+f3+f4（1）表1 试件详细信息Table 1Specimen details节点方向强轴方向弱轴方向编号SJMNSJMOSJWNSJWO柱截面/mmHW175175HW175175HW175175HW175175柱高/mm2000200020002000梁截面/mmHW100100HW100100HW125125HW125125梁长/mm1500150015001500螺栓直径M12M12M12M12T型件类型1、2、312、32表2 材性试验结果Table 2Material test results试件H100100H125125H175175T型件屈服强度fy/MPa260.79261.05260.03269.28抗拉强度fu/MPa376.34428.35423.41446.29屈强比fy/fu0.690.610.610.6弹性模量E/GPa192.67202.98208.27203.37伸长率/%29.8227.2926.7527.31图4试验加载装置Fig.4Test loading device图3材性实验试件设计图（单位：mm）Fig.3Material test specimen（Unit：mm）图2T型件三视图（正视、侧视、俯视）（单位：mm）Fig.2Three-view Drawing（front view，side view and top view）for T-shaped member（Unit：mm）125Structural Engineers Vol.39，No.1 Experiment Study式中：f1为梁的弹性变形导致的位移值；f2为柱的整体变形导致的位移值；f3为节点域的变形导致的位移值；f4为连接件变形导致的位移值。f1可由式（2）计算得：f1=Px2()3l-x6EI（2）式中：P为梁端施加的荷载值；x为梁上一点到柱轴线的距离；EI为抗弯刚度。f2可由式（3）计算得：f2=qL（3）式中：q为柱子整体的倾斜角度；L为梁端测点到柱的距离。梁柱的相对转角r可由式（4）计算可得：r=f3+f4L=f-f1-f2L（4）1.5测量内容梁端部的反力通过 MTS 液压伺服加载系统中的力传感器测量；节点转角的计算所需要的位移参数f、f1、f2可通过位移计来测量，位移计布置如图5所示，通过位移计1和2的位移差值测得挠度f，通过位移计3和4的测量值换算可得柱子的整体倾斜角度，在节点关键位置及应变较大处贴应变片测量应变值。2 有限元模型 2.1模型建立采用 ABAQUS6.14建立有限元模型，模型由柱、梁、连接件、高强螺栓组成，模型单元