X形插板連接型鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)受力性能

靳幸福，吳曉鳴，陳安英，袁 睿

(1. 合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥 230009； 2. 國網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽合肥 230061)

0引 言

變電站結(jié)構(gòu)常采用自重輕和受力性能好的鋼結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)形式包括格構(gòu)式角鋼塔架結(jié)構(gòu)、型鋼梁柱結(jié)構(gòu)等。型鋼梁柱結(jié)構(gòu)變電構(gòu)架梁柱節(jié)點(diǎn)采用栓焊連接時，不僅施工效率較低，而且節(jié)點(diǎn)焊接質(zhì)量不易得到保證。因此，采用高強(qiáng)螺栓連接變電構(gòu)架中的鋼梁和鋼柱是避免上述問題的有效方法[1]。

宗周紅等[2]指出采用穿心螺桿連接的加勁端板節(jié)點(diǎn)和雙T板節(jié)點(diǎn)具有比焊接翼緣板節(jié)點(diǎn)更好的抗震性能。Ricles等[3]、王先鐵[4]和王燕等[5]通過試驗研究了對穿高強(qiáng)螺栓-端板鋼梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能，結(jié)果表明該類型節(jié)點(diǎn)具有良好的延性和耗能能力，當(dāng)鋼管內(nèi)未填充混凝土?xí)r，柱壁會發(fā)生對稱凹屈現(xiàn)象。Rezaeian等[6]、Shahidi等[7]和盧俊凡[8]系統(tǒng)分析了梁端套板厚度、螺栓布置方式、軸壓比等參數(shù)對ConXL節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。李黎明等[9]研究了外套管式梁柱全螺栓連接節(jié)點(diǎn)的受力性能和損傷機(jī)理，指出外套管厚度對節(jié)點(diǎn)剛度影響較大，鋼梁與鋼柱連接的T型板角部增設(shè)加勁肋，可有效延緩柱壁的局部屈曲。袁崢嶸等[10]提出了采用高強(qiáng)螺栓和T形連接件構(gòu)成的方鋼管混凝土柱-H型鋼梁節(jié)點(diǎn)，并設(shè)計了6個試件用于低周循環(huán)往復(fù)加載試驗研究，研究表明T形件尺寸是影響節(jié)點(diǎn)受力性能的重要因素。張顏顏等[11]設(shè)計了一種新型節(jié)點(diǎn)，兩側(cè)拼板與梁預(yù)先連接，通過已經(jīng)焊接好的拼接板吊裝使鋼梁與柱快速連接并插入高強(qiáng)螺栓，完成了結(jié)構(gòu)的組裝，并在循環(huán)荷載的作用下研究了該新型節(jié)點(diǎn)的滯回性能。李自林等[12]等通過試驗研究了全螺栓連接隔板貫通型梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能，指出鋼梁是否偏心對節(jié)點(diǎn)破壞模式影響較大。劉學(xué)春等[13]提出法蘭連接L形鋼柱與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)，以降低梁柱拼裝難度，并通過擬靜力試驗研究了連接件形式和加勁肋構(gòu)造對節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。

由于變電構(gòu)架中鋼梁所受荷載較小，節(jié)點(diǎn)剛度需求較低，因此可以采用半剛性螺栓連接節(jié)點(diǎn)。半剛性螺栓連接節(jié)點(diǎn)不僅可以滿足鋼框架結(jié)構(gòu)的剛度和承載力需求，相比于剛性節(jié)點(diǎn)，還具有更好的延性和耗能能力[14]，常采用螺栓-端板[15-16]、螺栓-角鋼[17]等連接形式。王靜峰等[18]研究了單邊螺栓端板連接節(jié)點(diǎn)，研究表明破壞容易發(fā)生在柱壁、螺栓以及端板等處，其中端板破壞時節(jié)點(diǎn)是理想的破壞狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)的延性較好。王新武等[19]通過擬靜力試驗分析了螺栓-T型端板半剛性連接鋼框架的破壞模式、耗能能力、延性等抗震性能指標(biāo)，指出節(jié)點(diǎn)損傷主要集中于T型鋼板中，梁柱不會發(fā)生屈服。徐怡洪等[20]用有限元軟件對T型鋼半剛性連接節(jié)點(diǎn)的非線性性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明T型鋼厚度變化對節(jié)點(diǎn)影響最為顯著，且柱腹板的抗剪能力對此有較大影響。施剛[21]對8個端板連接的半剛性梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜力加載和低周往復(fù)加載試驗，采用參數(shù)分析對比的方法研究了端板厚度、節(jié)點(diǎn)域柱腹板加勁肋等參數(shù)對節(jié)點(diǎn)剛度、節(jié)點(diǎn)承載力和變形特性、螺栓受力狀態(tài)的影響。閻紅偉等[22]設(shè)計了2個節(jié)點(diǎn)單調(diào)加載試驗，確定試驗節(jié)點(diǎn)的初始剛度、破壞形態(tài)和極限承載力，研究表明角鋼厚度和螺栓直徑對節(jié)點(diǎn)的初始剛度影響較大。李志彩[23]分析了節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動剛度的大小對鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的影響，指出減小節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動剛度可推遲塑性鉸出現(xiàn)的時間，提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。

現(xiàn)有螺栓連接研究主要集中于采用螺栓-端板、螺栓-角鋼等形式的全螺栓連接節(jié)點(diǎn)，當(dāng)采用對穿螺栓時，安裝精度要求較高；采用單邊螺栓時，螺栓制作工藝較復(fù)雜。為降低鋼框架結(jié)構(gòu)中梁柱全螺栓節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜程度，本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，提出在方鋼管柱角部45°方向焊接柱端鋼板，鋼柱一面兩側(cè)的柱端鋼板可以形成供梁端鋼板插入的空間。梁端鋼板和柱端鋼板可在工廠將其分別焊接于鋼梁和鋼柱上，現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)拼裝時，通過采用高強(qiáng)螺栓將梁端鋼板與柱端鋼板連接，形成一種新型X形插板連接型鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。鋼梁中的剪力和彎矩通過高強(qiáng)螺栓經(jīng)梁端鋼板傳遞至柱端鋼板和鋼柱上。本文設(shè)計了4個足尺節(jié)點(diǎn)模型并進(jìn)行受力性能試驗，分析了梁端鋼板厚度和螺栓直徑對節(jié)點(diǎn)的剛度、承載力、延性等性能指標(biāo)的影響，明確了節(jié)點(diǎn)的損傷機(jī)理和破壞模式。最后使用ABAQUS有限元軟件建立了節(jié)點(diǎn)實體有限元模型，進(jìn)一步研究了柱端鋼板厚度和螺栓數(shù)量對節(jié)點(diǎn)受力性能的影響。

圖1節(jié)點(diǎn)示意圖Fig.1Schematic Diagram of Joint

1試驗設(shè)計

1.1試驗?zāi)Ｐ?/h3>

靜力試驗共設(shè)計4個節(jié)點(diǎn)模型(JD1～JD4)，其中JD1～JD3梁端鋼板厚度不同，分別為20、25、30 mm，螺栓采用M24高強(qiáng)螺栓，用于分析梁端鋼板厚度對節(jié)點(diǎn)受力性能的影響；JD4梁端鋼板厚度為20 mm，螺栓采用M20高強(qiáng)螺栓，用于分析螺栓直徑對節(jié)點(diǎn)受力性能的影響。梁柱長度分別為1 475 mm和1 480 mm，各節(jié)點(diǎn)試件的截面尺寸如表1所示，梁端和柱端鋼板構(gòu)造如圖2所示，梁端鋼板與鋼梁以及柱端鋼板與鋼柱均采用剖口焊接。所有試件的鋼材均采用Q355材料，螺栓為10.9級高強(qiáng)螺栓。

表1節(jié)點(diǎn)模型設(shè)計參數(shù)Table 1Design Parameters of Joint Model

圖2連接板尺寸(單位:mm)Fig.2Sizes of Connection Plate (Unit:mm)

1.2試驗加載裝置和測點(diǎn)布置

試驗加載裝置如圖3(a)所示。采用梁端加載的方式進(jìn)行受力性能試驗，鋼柱底部放置于實驗室地面，頂部采用反力梁約束鋼柱的豎向位移。梁端采用千斤頂加載，當(dāng)施加荷載超過節(jié)點(diǎn)極限承載力后下降至85%極限承載力或梁端位移角達(dá)到1/15時停止加載。

圖3試驗加載裝置和測點(diǎn)布置Fig.3Test Loading Device and Measuring Point Arrangement

試驗中位移計布置如圖3(b)所示。在梁端加載點(diǎn)處布置一個豎向位移計，用于測量梁端的位移；梁端鋼板上下各分別布置2個位移計，用于測量梁端鋼板的變形。應(yīng)變片布置如圖4所示，在鋼梁端部、梁端鋼板、柱端鋼板和鋼柱上下兩側(cè)各布置2個應(yīng)變片，用于測量各部位的變形。

圖4應(yīng)變片布置Fig.4Arrangement of Strain Gauges

1.3材性試驗結(jié)果

材性試驗試件依據(jù)《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》(GB/T 228.1—2010)[24]取自同批次的鋼梁翼緣與腹板、方鋼管柱柱壁、梁端和柱端鋼板，并加工成板狀試樣進(jìn)行材性試驗，材性試驗試件尺寸如圖5和表2所示，材性試驗結(jié)果如表3所示。

圖5材性試驗試件示意圖Fig.5Schematic Diagram of Specimen for Material Property Test

2試驗結(jié)果分析

2.1試驗現(xiàn)象

4個節(jié)點(diǎn)在加載過程中的現(xiàn)象如下：①JD1加載至5 mm時，梁端與柱端鋼板間產(chǎn)生縫隙，加載至 13 mm時，鋼梁與梁端鋼板連接處的墊板焊縫輕微厚度；b0為平行長度原始寬度；D為總體寬度；H為夾持長度；C為過渡圓弧段長度。

表2材性試驗試件尺寸Table 2Sizes of Specimen for Material Property Test mm

表3材性試驗結(jié)果Table 3Results of Material Property Test

撕裂，加載至23 mm時，梁端與柱端鋼板脫開，焊縫撕裂情況加劇，加載至47 mm時，鋼梁與梁端鋼板連接處墊板兩端焊縫破壞，梁端鋼板受拉側(cè)變形增大，加載到99.2 mm時，停止加載；②JD2加載至 6.1 mm時，梁端與柱端鋼板間產(chǎn)生縫隙，加載至15.6 mm時，鋼梁與梁端鋼板連接處的墊板焊縫輕微撕裂，梁端鋼板受拉側(cè)變形明顯，加載至27.1 mm時，梁端與柱端鋼板脫開，加載至51 mm時，鋼梁與梁端鋼板連接處墊板兩端焊縫破壞，加載至100 mm時，停止加載；③JD3加載至6.3 mm時，梁端與柱端鋼板間產(chǎn)生縫隙，加載至17.2 mm時，鋼梁與梁端鋼板連接處的墊板焊縫輕微撕裂，加載至29.7 mm時，梁端與柱端鋼板脫開，焊縫撕裂加劇，加載至56 mm時，鋼梁與梁端鋼板連接處墊板兩端焊縫破壞，加載至100 mm時，停止加載；④JD4加載至12.5 mm時，鋼梁與梁端鋼板連接處的墊板焊縫輕微撕裂，梁端鋼板出現(xiàn)明顯變形，加載至20.1 mm時，梁端與柱端鋼板脫開，焊縫撕裂加劇，加載至42 mm左右時，鋼梁與梁端鋼板連接處墊板兩端焊縫破壞，加載至100 mm時，停止加載。節(jié)點(diǎn)主要的破壞模式如圖6所示。

圖6節(jié)點(diǎn)試驗破壞模式Fig.6Test Failure Modes of Joints

2.2試驗結(jié)果分析

不同節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線如圖7所示。4個節(jié)點(diǎn)均未出現(xiàn)明顯的承載力下降，節(jié)點(diǎn)延性較好。梁端鋼板厚度由20 mm增加至30 mm時，節(jié)點(diǎn)承載力提高了52.5%，螺栓直徑由M24降低至M20時，節(jié)點(diǎn)承載力降低了14.5%。采用等能量法計算得到4個節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)分別為2.46、2.42、2.40和2.45，不同節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)相近。

圖7荷載-位移曲線Fig.7Load-displacement Curves

對比不同加載位移下鋼梁、梁端鋼板和柱端鋼板的應(yīng)變變化規(guī)律(圖8)可以看出，位于鋼梁端部和梁端鋼板上的應(yīng)變片測量結(jié)果在各節(jié)點(diǎn)的不同加載位移下均保持相同的變化規(guī)律，且應(yīng)變大小基本一致，柱端鋼板中靠近鋼柱位置的應(yīng)變片(8#應(yīng)變片)所測應(yīng)變數(shù)據(jù)在各節(jié)點(diǎn)中均大于遠(yuǎn)離鋼柱位置的應(yīng)變片(7#應(yīng)變片)，且超過了鋼材的屈服應(yīng)變(采用屈服強(qiáng)度除以彈性模量可得到屈服應(yīng)變?yōu)? 812×10-6)。

圖8關(guān)鍵部位應(yīng)變變化規(guī)律Fig.8Change Law of Strain at Critical Position

由圖9可以看出，不同節(jié)點(diǎn)各位置最大應(yīng)變的變化規(guī)律相同，當(dāng)梁端鋼板厚度增大時，各位置的最大應(yīng)變差異較小，當(dāng)梁端鋼板厚度為20 mm，螺栓直徑由M24減小至M20時，各位置的最大應(yīng)變顯著增大。

圖9不同節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)變對比Fig.9Comparison of Maximum Strain of Different Joints

根據(jù)各節(jié)點(diǎn)荷載-位移曲線計算得到節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動剛度分別為6.81×103、8.14×103、8.72×103、6.51×103kN·m·rad-1。隨著梁端鋼板厚度增加，節(jié)點(diǎn)剛度逐漸增大；隨著螺栓直徑變小，節(jié)點(diǎn)剛度降低。

EN 1993-1-8:2005[25]規(guī)定當(dāng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動剛度達(dá)到25EI/L時，可認(rèn)為節(jié)點(diǎn)為剛性節(jié)點(diǎn)，小于0.5EI/L時，可認(rèn)為節(jié)點(diǎn)為鉸節(jié)點(diǎn)，其中E為鋼材彈性模量，I為梁截面慣性矩，L為梁長。根據(jù)本文試驗節(jié)點(diǎn)尺寸和材料參數(shù)，計算得到節(jié)點(diǎn)達(dá)到剛性連接時的轉(zhuǎn)動剛度為8.39×104kN·m·rad-1，鉸接時的轉(zhuǎn)動剛度為1.67×103kN·m·rad-1。對比試驗結(jié)果可以看出，本文中4個節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動剛度均位于鉸接與剛性節(jié)點(diǎn)之間，屬于半剛性節(jié)點(diǎn)。

3有限元分析

3.1有限元模型建立

采用ABAQUS軟件建立了JD1～JD4的實體有限元分析模型，各試件均采用C3D8R實體單元。梁端鋼板和柱端鋼板采用Tie約束分別與鋼梁和鋼柱連接，高強(qiáng)螺栓與梁端鋼板和柱端鋼板之間建立接觸對，接觸面之間的摩擦因數(shù)取0.4[26]，螺栓預(yù)緊力采用ABAQUS軟件中的螺栓荷載施加。梁柱和連接板的鋼材本構(gòu)采用雙折線模型，彈性模量按照材性試驗結(jié)果選取，屈服后剛度為彈性剛度的1%。高強(qiáng)螺栓采用彈性材料，彈性模量取200 GPa。鋼柱兩端的邊界條件與試驗一致，釋放轉(zhuǎn)動約束，固定平動自由度實現(xiàn)鉸接，有限元模擬時的加載點(diǎn)與靜力試驗一致。鋼梁長度取至試驗中加載合力點(diǎn)處。

3.2模擬結(jié)果

圖10為有限元模擬得到的荷載-位移曲線與試驗結(jié)果對比，有限元模型的剛度和承載力稍小于試驗?zāi)Ｐ汀Ρ菾D3和JD4的模擬結(jié)果可以看出，增加螺栓直徑對節(jié)點(diǎn)剛度和承載力幾乎沒有影響。

有限元模型加載至梁端位移為100 mm時的節(jié)點(diǎn)損傷分布如圖11所示?？梢钥闯?，有限元模型的損傷主要集中于梁端、梁端鋼板和柱端鋼板中，鋼柱和高強(qiáng)螺栓的應(yīng)力基本未超過屈服應(yīng)力，與試驗結(jié)果基本一致。以上分析結(jié)果表明，所建立的有限元模型能較好地反映試驗節(jié)點(diǎn)模型的受力性能。

3.3參數(shù)分析

以JD1模型為例研究柱端鋼板厚度對節(jié)點(diǎn)受力性能的影響，柱端鋼板厚度tc分別為19、24、29 mm的節(jié)點(diǎn)荷載-位移曲線模擬結(jié)果如圖12所示?？梢钥闯?，改變柱端鋼板厚度對節(jié)點(diǎn)剛度和承載力影響較小。圖13為不同厚度的柱端鋼板損傷情況，隨著柱端鋼板厚度的增加，其損傷有所減小。

圖10模擬與試驗結(jié)果對比Fig.10Comparison of Simulated and Test Results

減小螺栓直徑和增加螺栓數(shù)量可以降低單個螺栓孔位置的鋼板應(yīng)力。在JD1和JD4模型的基礎(chǔ) 上，進(jìn)一步對比了采用6個M18和M16螺栓連接時(單個柱端連接板采用6個螺栓連接)節(jié)點(diǎn)的受力性能。不同螺栓布置模型模擬結(jié)果與損傷分布情況如圖14、15所示。通過試驗?zāi)Ｐ偷膿p傷分布對比可 以看出，減小螺栓直徑和增加螺栓數(shù)量的設(shè)計方式一定程度上提高了節(jié)點(diǎn)的承載力，降低柱端鋼板的損傷，但對梁端鋼板的損傷影響不大。

圖11節(jié)點(diǎn)模擬破壞模式Fig.11Simulated Failure Modes of Joints

圖12不同厚度柱端鋼板模型模擬結(jié)果Fig.12Simulated Results of Model with Different Thicknesses Steel Plate at Column End

4結(jié)語

(1)本文提出的X形插板連接型鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)受力性能良好，試驗結(jié)果表明：節(jié)點(diǎn)破壞主要發(fā)生于梁端鋼板及其與鋼梁的焊縫連接處。

(2)隨著梁端鋼板厚度和螺栓直徑的增加，節(jié)點(diǎn)的剛度和承載力不斷增大，但仍屬于半剛性連接節(jié)點(diǎn)。

(3)試驗結(jié)果和有限元分析結(jié)果表明：增加柱端鋼板厚度對節(jié)點(diǎn)剛度和承載力影響不大，但柱端鋼板的損傷略有減小，建議梁端鋼板高厚比控制在 20～25之間較為經(jīng)濟(jì)；減小螺栓直徑并增加螺栓數(shù)量一定程度上提高了節(jié)點(diǎn)的承載力，降低了柱端鋼板的損傷，但對梁端鋼板的損傷影響不大，建議在滿足抗剪承載力的同時，采用減小螺栓直徑并增加螺栓數(shù)量的布置方式。

圖13不同厚度柱端鋼板模型損傷分布Fig.13Damage Distribution of Model with Different Thicknesses Steel Plate at Column End

圖14不同螺栓布置模型損傷分布Fig.14Damage Distribution of Model with Different Bolts Arrangement

圖15不同螺栓布置模型模擬結(jié)果Fig.15Simulated Results of Model with Different Bolts Arrangement