膠合木梁柱削弱型鋼填板-螺栓連接數(shù)值模擬及參數(shù)分析

曹萬(wàn)鋮，王雪亮,2，奉 佳，劉楊梅

(1. 武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢 430070； 2. 武漢理工大學(xué)海南研究院，海南三亞 572025； 3. 湖北福漢綠色建筑有限公司，湖北武漢 430070)

0引 言

膠合木結(jié)構(gòu)的梁柱連接是保證結(jié)構(gòu)體系承受外荷載和整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵所在，其中鋼填板-螺栓連接是應(yīng)用較為廣泛的一種梁柱連接形式。Lam等[1-3]對(duì)鋼填板-螺栓連接的破壞模式和極限荷載的研究表明，這種連接極易在梁端的螺栓周圍發(fā)生脆性橫紋劈裂破壞，使得膠合木構(gòu)件的力學(xué)性能得不到充分發(fā)揮，明顯降低了結(jié)構(gòu)的延性及抗側(cè)力能力，大幅限制了膠合木框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。針對(duì)這種連接，祝恩淳等[4-5]推導(dǎo)了其破壞模式與承載力計(jì)算方法，能較準(zhǔn)確反映連接力學(xué)性能。

為了提高梁柱連接的抗彎能力及延性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用多種方式對(duì)連接進(jìn)行加固和改進(jìn)。Lam等[1]在連接附近垂直于梁柱橫紋方向打入若干自攻螺釘加固，并進(jìn)行單調(diào)和低周往復(fù)加載試驗(yàn)。結(jié)果表明：與未加固連接相比，采用自攻螺釘加固的連接抗彎承載力可提高2倍，而且延性大幅增強(qiáng)。陸偉東等[6]進(jìn)一步對(duì)自攻螺釘增強(qiáng)膠合木梁柱螺栓節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，探究螺栓端距、邊距和自攻螺釘直徑對(duì)節(jié)點(diǎn)受力性能的影響。趙藝等[7]提出采用鋼制方套管將梁端包裹的加固方案，節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度顯著提升，抗彎承載力和延性也得到改善。Guan等[8-9]用空心銷釘代替螺栓設(shè)計(jì)了一種新的連接，使連接的形變主要集中在空心銷釘，從而減小了木構(gòu)件發(fā)生脆性破壞的可能性。Leijten等[10-11]在這種空心銷釘基礎(chǔ)上進(jìn)行了膨脹管連接和在梁柱開(kāi)槽內(nèi)貼加強(qiáng)木材(DVW)的相關(guān)研究。惠卓等[12]提出一種內(nèi)嵌鋼板-端板的連接形式，由端板承受大部分彎矩，延緩梁端木材的開(kāi)裂。黃東升等[13]設(shè)計(jì)了一種裝配式木框架結(jié)構(gòu)的消能節(jié)點(diǎn)，在彈性工作階段可使框架體系具有足夠的抗側(cè)剛度，在非線性工作階段又可消耗外部輸入結(jié)構(gòu)的能量，擬靜力試驗(yàn)研究表明該消能節(jié)點(diǎn)具有良好的延性及耗能減震作用。楊會(huì)峰等[14]采用植筋連接代替鋼填板螺栓連接，并在植筋連接中增加鋼耗能連接件以改善其延性。以上研究通過(guò)調(diào)整螺栓連接的構(gòu)造，用自攻螺釘、鋼板包裹、增加端板及耗能件等方式均可以一定程度提高梁柱連接的承載力及延性，但仍存在美觀不足、施工復(fù)雜、延性提高有限、無(wú)法徹底解決木材橫紋劈裂等問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種削弱型鋼填板-螺栓連接。相比于普通鋼填板-螺栓連接，在該連接中，采用削弱的鋼填板通過(guò)螺栓連接梁柱，以控制鋼填板能夠在螺孔周圍木材橫紋劈裂前發(fā)生屈服，將連接的轉(zhuǎn)動(dòng)變形主要集中于鋼填板，有效避免螺孔周邊木材的脆性破壞及螺栓的破壞，提高膠合木梁柱連接的延性及耗能能力。首先采用ABAQUS有限元軟件對(duì)新設(shè)計(jì)的膠合木梁柱連接節(jié)點(diǎn)的工作機(jī)理、破壞模式、延性及承載力等性能進(jìn)行了詳細(xì)分析；其次考慮到削弱型鋼填板連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能可能受削弱高度、開(kāi)槽個(gè)數(shù)、開(kāi)槽邊距、開(kāi)槽長(zhǎng)度等多種因素的影響，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)多組模型，分析了多參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)連接性能的影響，為新型鋼填板-螺栓連接的工程合理設(shè)計(jì)提供參考。

1削弱型鋼填板-螺栓連接設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)鋼填板-螺栓連接的破壞特性，采用開(kāi)槽的方式對(duì)鋼填板連接件進(jìn)行削弱，使其在受力過(guò)程中首先進(jìn)入屈服階段。參考普通鋼填板-螺栓連接研究的方法，新型連接的模型由膠合木梁、膠合木柱、削弱鋼填板通過(guò)螺栓連接而成，如圖1所示。膠合木柱長(zhǎng)1 000 mm，截面尺寸為272 mm×305 mm；膠合木梁長(zhǎng)830 mm，截面尺寸為130 mm×305 mm；螺栓為8.8級(jí)直徑20 mm六角螺栓，用于連接梁和鋼板的螺桿長(zhǎng)為158 mm；用于連接柱和鋼板的螺栓螺桿長(zhǎng)為300 mm，螺栓邊距為70 mm，螺栓之間順紋方向和垂直木紋方向的間距分別為190 mm和165 mm。在與柱接觸的梁端預(yù)留30 mm間隙。鋼填板尺寸為795 mm×305 mm×9.5 mm，如圖2所示，其中hw為削弱高度，h1為開(kāi)槽長(zhǎng)度，ha為開(kāi)槽邊距。

圖1削弱型梁柱連接示意圖(單位:mm)Fig.1Schematic Diagram of Weakened Beam-column Connection (Unit:mm)

圖2削弱型鋼填板示意圖(單位:mm)Fig.2Schematic Diagram of Weakened Slotted-in Steel Plate (Unit:mm)

考慮到開(kāi)槽個(gè)數(shù)以及橫截面總的削弱高度對(duì)連接性能的影響，設(shè)計(jì)了3種不同開(kāi)槽個(gè)數(shù)、3個(gè)不同削弱高度(hw=120、150、180 mm)的試件，共3組9個(gè)連接節(jié)點(diǎn)C1-120～C3-180，其中C1、C2、C3表示開(kāi)槽個(gè)數(shù)，“120、150、180”表示削弱高度分別為120、150、180 mm，如C1-120表示連接件為1個(gè)開(kāi)槽，削弱高度為120 mm的連接。

2有限元模型建立

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼填板-螺栓節(jié)點(diǎn)的有限元模擬進(jìn)行了大量研究。Sandhass[15]將持續(xù)損傷力學(xué)方法引入到木材材料模型的研究，建立了木材三維材料模型，該模型可考慮材料的各向異性、不同的破壞模式以及材料內(nèi)部的延性和脆性行為。Gharib等[16]提出了正交各向異性纖維材料的三維本構(gòu)模型，通過(guò)對(duì)Tsai-Wu屈服函數(shù)的分解，得到了不同破壞模式的判斷準(zhǔn)則，將各應(yīng)力分量的單軸行為近似為一個(gè)多線性模型，對(duì)于木材延性破壞和脆性破壞皆適用。王明謙等[2]采用ABAQUS建立螺栓-填板連接模型，模擬計(jì)算的初始剛度和極限彎矩與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差在20%以內(nèi)，有較好的模擬精度。

鑒于上述的研究成果，本文在ABAQUS建模中考慮了螺桿周圍木材的連續(xù)損傷，采用了能夠表示木材在各階段及各方向的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的多線性模型(包含彈性階段、塑性硬化階段以及最后的雙線性軟化階段)；針對(duì)膠合木各向異性且拉壓不等強(qiáng)的特點(diǎn)，運(yùn)用Tsai-Wu準(zhǔn)則以及Hashin準(zhǔn)則相結(jié)合的破壞準(zhǔn)則進(jìn)行失效判斷。

2.1單元選擇及網(wǎng)格劃分

膠合木彈塑性損傷模型區(qū)域使用八連接線性六面體單元C3D8；其他所有區(qū)域和部件單元均選擇八連接線性六面體減縮積分單元C3D8R[17]。膠合木梁、柱單元尺寸為40 mm×40 mm，連接螺栓單元尺寸為15 mm×15 mm，鋼板單元尺寸為10 mm×10 mm。螺栓與膠合木接觸區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，單元尺寸取為20 mm×20 mm。對(duì)螺孔周圍區(qū)域進(jìn)行精細(xì)網(wǎng)格劃分，使網(wǎng)格規(guī)整，過(guò)渡平緩。膠合木梁、柱網(wǎng)格過(guò)渡區(qū)采用掃掠進(jìn)階算法，并指定合適的掃掠路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的自然過(guò)渡。螺栓采用掃掠中性軸算法。

2.2材料參數(shù)

膠合木的塑性行為、脆性行為以及損傷主要集中在螺孔周圍，因此在孔周80 mm×80 mm正方形區(qū)域內(nèi)采用各向異性彈塑性損傷模型[16]，通過(guò)UMAT子程序賦予，其他區(qū)域則采用各向異性彈性模型。膠合木彈性模量、泊松比、各向拉壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及斷裂能等參考文獻(xiàn)[2]、[18]取值，如表1所示；鋼板和螺栓采用理想彈塑性模型，彈性模量為2.06×105MPa，鋼板屈服強(qiáng)度為235 MPa，8.8級(jí)普通螺栓屈服強(qiáng)度為640 MPa。

2.3接觸及分析步設(shè)置

模型接觸關(guān)系復(fù)雜，且存在不同材料之間的接 觸，因此選用面-面接觸，定義主從面，并指定切向摩擦屬性和法向接觸屬性。為了便于收斂，減小分析步數(shù)量及分析時(shí)間，將鋼板與螺桿之間的接觸設(shè)置為“Tie”約束。各接觸面之間的接觸設(shè)置[19]如表2所示。

表1膠合木材料參數(shù)Table 1Glulam Material Parameters

表2接觸設(shè)置Table 2Contact Settings

控制木柱邊緣位移，施加相應(yīng)的約束限制鋼板及木梁發(fā)生平面外的轉(zhuǎn)動(dòng)。由此建立的有限元模型如圖3所示。與此同時(shí)，用上述方法建立一個(gè)普通鋼填板-螺栓連接模型(圖4)，其梁柱尺寸與新型連接一致，但梁柱連接處緊密接觸，鋼板采用普通未削弱鋼填板，對(duì)比研究新型連接的力學(xué)性能。

圖3模型網(wǎng)格劃分Fig.3Model Meshing

圖4普通鋼填板-螺栓連接Fig.4Ordinary Slotted-in Steel Plate Bolted Connection

3工作機(jī)理及力學(xué)性能分析

在有限元模型的梁自由端逐步施加水平靜荷載，直至節(jié)點(diǎn)完全破壞。研究新型連接的傳力方式、工作機(jī)理及承載能力，并通過(guò)分析梁端彎矩和轉(zhuǎn)角的關(guān)系來(lái)評(píng)估其延性性能。

3.1工作機(jī)理

相比普通鋼填板-螺栓連接，新型連接的荷載傳遞與破壞模式有了更好優(yōu)化。新型連接通過(guò)螺栓的緊固作用，將梁端的荷載傳遞到鋼填板連接件上，由鋼填板連接件承受大部分彎矩。通過(guò)全受力過(guò)程的動(dòng)畫(huà)可以看出新型連接先是膠合木梁螺孔周圍與鋼填板應(yīng)力逐漸增加，應(yīng)力主要集中在鋼填板的削弱區(qū)域。隨著鋼板進(jìn)入屈服，膠合木梁的應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢，新型連接的梁與螺栓隨著鋼填板的變形一起發(fā)生小幅轉(zhuǎn)動(dòng)。極限荷載下連接的應(yīng)力與變形如圖5所示。

圖5新型連接整體應(yīng)力與變形Fig.5Overall Stress and Deformation of New Connection

改進(jìn)后的連接件仍采用高強(qiáng)螺栓連接，但是為了能夠使鋼填板在整個(gè)受力過(guò)程中充分變形，最先進(jìn)入屈服階段，并產(chǎn)生較大的塑性變形，在與柱接觸的梁端預(yù)留30 mm間隙，根據(jù)文獻(xiàn)[20]計(jì)算結(jié)果，梁端擠壓區(qū)提供的抵抗彎矩占螺栓提供的彎矩不足10%，預(yù)留間隙并不會(huì)明顯影響節(jié)點(diǎn)抗彎承載力。因此，可以保證在受力過(guò)程中梁不直接抵承于膠合木柱，木材所受荷載相對(duì)較小，鋼連接件能充分受力，從而在木材破壞前達(dá)到屈服，形成塑性鉸，使得梁柱連接具有良好的延性，在動(dòng)荷載作用下還可以起到消能減震的作用。

3.2槽式連接關(guān)鍵部件的力學(xué)性能分析

為了進(jìn)一步分析新型連接各部件在受力過(guò)程中所起的作用及力學(xué)性能，在極限荷載作用下，對(duì)各部件進(jìn)行拆分，比較了木梁螺孔周圍、螺栓及鋼填板的應(yīng)力及變形特征。提取和分析了梁端的彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系，對(duì)其承載力、剛度及變形能力進(jìn)行比較。

3.2.1 膠合木梁螺孔周圍應(yīng)力分布與變形

提取槽式連接膠合木梁螺孔周圍應(yīng)力達(dá)到最大時(shí)的應(yīng)力與變形圖，如圖6～8所示。應(yīng)力值均在-8～10 MPa之間，圖例中應(yīng)力上限為木材橫紋抗拉強(qiáng)度3.5 MPa，超過(guò)該值的灰色區(qū)域可視為開(kāi)裂區(qū)域。荷載施加方式為方向2的梁端位移，可以看出梁螺孔一側(cè)受螺桿擠壓產(chǎn)生了壓應(yīng)力，而一側(cè)受拉出現(xiàn)拉應(yīng)力，螺栓孔受擠壓發(fā)生塑性變形。

由圖6～8可以看出，在新型連接破壞時(shí)，雖然C-120、C-150組均在孔邊出現(xiàn)了灰色區(qū)域，但局限在孔邊非常小的范圍，均未連片或貫通，說(shuō)明孔邊存在些許開(kāi)裂現(xiàn)象，但并未影響試件外觀，也未發(fā)生沿螺栓孔的劈裂破壞；更重要的是，隨著開(kāi)槽個(gè)數(shù)的增 加，開(kāi)裂深度有變淺的趨勢(shì)。C-180組隨著開(kāi)槽個(gè)數(shù)的增加，灰色區(qū)域消失，C1-180存在些許的橫紋開(kāi)裂，而C2-180、C3-180模型在破壞時(shí)孔邊應(yīng)力均小于橫紋抗拉強(qiáng)度3.5 MPa，有效避免了木材的橫紋劈裂。隨著鋼填板連接件總削弱高度的增加，孔周應(yīng)力與變形均呈減小的規(guī)律，隨著開(kāi)槽個(gè)數(shù)的增加，木梁螺栓孔邊開(kāi)裂深度變淺甚至消失，對(duì)減小和防止孔邊開(kāi)裂具有積極作用。

圖6C1組梁螺孔應(yīng)力與變形Fig.6Screw Hole Stress and Deformation of C1 Group Beam

圖7C2組梁螺孔應(yīng)力與變形Fig.7Screw Hole Stress and Deformation of C2 Group Beam

圖8C3組梁螺孔應(yīng)力與變形Fig.8Screw Hole Stress and Deformation of C3 Group Beam

3.2.2 鋼填板的應(yīng)力分布與變形

由梁柱連接受力全過(guò)程分析可知，梁柱連接塑性鉸的形成關(guān)鍵在于鋼填板是否發(fā)生屈服，因此對(duì)不同孔數(shù)與削弱高度下的鋼填板應(yīng)力分布及變形進(jìn)行對(duì)比分析。

槽式連接破壞時(shí)，鋼填板連接件應(yīng)力與變形如圖9～11所示?？梢钥闯觯奢d作用下各組新型連接的鋼填板連接件的削弱區(qū)域出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這些區(qū)域的鋼材在破壞時(shí)已出現(xiàn)明顯的屈服，形成了塑性區(qū)(圖9～11灰色區(qū)域)。說(shuō)明鋼板是承受彎矩的主要部件，并且能夠在膠合木梁螺孔周邊發(fā)生橫紋劈裂前達(dá)到屈服，有效避免或推遲膠合木梁的開(kāi)裂，同時(shí)顯著增強(qiáng)了整個(gè)連接的延性。

比較槽式連接的各組試件可知：C1組連接件削弱高度為120 mm時(shí)，近柱端的小部分邊緣區(qū)域達(dá)到屈服，但鋼板塑性鉸尚未形成；隨著削弱高度的增加，屈服區(qū)域明顯增大，削弱高度為180 mm時(shí)，開(kāi)槽的邊緣鋼板幾乎全部進(jìn)入了屈服，并且可以看到鋼板產(chǎn)生了顯著的塑性變形，削弱高度對(duì)塑性鉸的形成起到了重要的作用。

當(dāng)削弱高度一定時(shí)，隨著開(kāi)槽個(gè)數(shù)增加，不僅槽與鋼板之間有屈服區(qū)域，槽與槽之間也有部分區(qū)域 進(jìn)入屈服。與C1組相比，C2組連接件在總削弱高度相同的情況下，屈服出現(xiàn)得更早，屈服區(qū)域更大，且變形更加明顯；C3組連接件與前兩組相比較，屈服出現(xiàn)得更早，屈服區(qū)域更大，且變形更加明顯，因此在削弱高度受限時(shí)，可以通過(guò)增加開(kāi)槽個(gè)數(shù)提高新型連接的延性性能。

圖9C1組鋼板應(yīng)力與變形Fig.9Steel Plate Stress and Deformation of C1 Group

圖10C2組鋼板應(yīng)力與變形Fig.10Steel Plate Stress and Deformation of C2 Group

圖11C3組鋼板應(yīng)力與變形Fig.11Steel Plate Stress and Deformation of C3 Group

3.3彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

以柱螺栓群中心為轉(zhuǎn)動(dòng)中心計(jì)算彎矩以及梁相對(duì)于柱的轉(zhuǎn)角，繪制彎矩-轉(zhuǎn)角曲線以評(píng)價(jià)連接的轉(zhuǎn)動(dòng)性能[21]。由于鋼材沒(méi)有定義極限應(yīng)變，而木材材料屬性考慮了各向異性的脆性破壞，因此當(dāng)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線出現(xiàn)下降段則說(shuō)明連接發(fā)生破壞。

各組槽式連接及普通連接S1的彎矩-轉(zhuǎn)角(M-θ)曲線如圖12所示。由圖12(a)可以看出：3種不同削弱高度的連接在彈性階段幾乎重合，C1-180最先進(jìn)入屈服，并且有較長(zhǎng)的塑性變形段，這是由于鋼板大面積進(jìn)入屈服使得連接表現(xiàn)出較好的延性；最后當(dāng)轉(zhuǎn)角達(dá)到約0.13 rad時(shí)，曲線出現(xiàn)急劇下降，連接發(fā)生破壞。C1-120和C1-150的屈服彎矩明顯大于C1-180，但并沒(méi)有明顯的屈服段，且變形能力較差，轉(zhuǎn)角達(dá)到約0.04 rad時(shí)，連接破壞，其中C1-150最大轉(zhuǎn)角略高于C1-120。

由圖12(b)可以看出：C2組連接中C2-180最先進(jìn)入屈服，且具有很強(qiáng)的塑性變形能力，當(dāng)轉(zhuǎn)角超過(guò)0.16 rad時(shí)，連接仍未發(fā)生破壞，考慮變形過(guò)大而停止加載。C2-120和C2-150屈服時(shí)的彎矩明顯大于C1-180，2種連接的曲線均有明顯的屈服段，其中C2-150變形能力更好，轉(zhuǎn)角達(dá)到約0.15 rad時(shí)，連接破壞。還可以看出：開(kāi)槽個(gè)數(shù)一定時(shí)，總削弱高度越大，連接的變形能力越好，但承載力越小。

由圖12(c)可知：C3-120和C3-150的曲線彈性階段幾乎重合，而C3-180初始剛度略微偏小。同理，總削弱高度越大，連接的變形能力越好，承載能力越小。

由圖12可知，普通連接的初始剛度和極限承載力略大于槽式連接，但其延性明顯小于槽式連接。相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)初始剛度、屈服彎矩及延性系數(shù)結(jié)果如表3所示。由表3可知，當(dāng)削弱高度較小(120 mm)時(shí)，增加開(kāi)槽個(gè)數(shù)逐漸減小了初始剛度和承載力，但未能有效增大連接的延性。削弱高度較大(180 mm)時(shí)，連接延性明顯改善(延性系數(shù)最小為2.67)，但增加開(kāi)槽個(gè)數(shù)大幅減小了初始剛度。選擇合適的削弱高度和開(kāi)槽個(gè)數(shù)可以保證必要的初始剛度和較好承載能力及延性，如C1-180、C2-150在初 始剛度和極限彎矩下降不太明顯的情況下，延性系數(shù)得到了成倍增加。

圖12槽式連接M-θ曲線Fig.12M-θ Curves of Groove Connection

表3普通連接與槽式連接承載力和延性Table 3Bearing Capacity and Ductility of Conventional and Groove Connections

圖13不同開(kāi)槽個(gè)數(shù)M-θ曲線對(duì)比Fig.13Comparison of M-θ Curves with Different Number of Slots

將相同削弱高度、開(kāi)槽個(gè)數(shù)不同的連接M-θ曲線進(jìn)行比較，如圖13所示。由圖13可知，同一削弱高度下，開(kāi)槽個(gè)數(shù)的增加會(huì)減小連接的初始剛度和極限彎矩，但可以明顯增強(qiáng)變形能力，而且隨著削弱高度的增加，開(kāi)槽個(gè)數(shù)的影響更加顯著。

4節(jié)點(diǎn)承載力的參數(shù)影響分析

新型膠合木梁柱連接的有限元模擬結(jié)果證明，選擇合適的削弱高度和開(kāi)槽個(gè)數(shù)可以使新型鋼填板-螺栓連接在保證足夠承載力和剛度的前提下具有比普通連接更好的延性。開(kāi)槽邊距、開(kāi)槽長(zhǎng)度將影響削弱截面的屈服點(diǎn)及屈服面積。在普通鋼填板-螺栓連接中，螺栓直徑、螺栓邊距是決定膠合木梁柱連接承載力及是否發(fā)生延性破壞的關(guān)鍵因素。在新型連接中，由于屈服將發(fā)生在鋼填板的削弱位置，螺栓直徑和螺栓邊距的影響大幅減小。因此，確定開(kāi)槽個(gè)數(shù)、開(kāi)槽邊距、開(kāi)槽長(zhǎng)度及削弱高度為主要影響因素，分析各因素對(duì)新型連接節(jié)點(diǎn)承載力和延性的影響。

4.1模型方案確定

基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，選用正交表L9(34)對(duì)以上4個(gè)因素、3個(gè)水平進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，各因素的水平如表4所示，正交試驗(yàn)方案如表5所示。

表4槽式連接影響因素及其水平Table 4Influencing Factors of Groove Connection and Their Level Values

分別對(duì)以上模型逐步施加水平靜荷載直至破壞，提取所有的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系，如圖14所示，相應(yīng)的初始剛度、屈服彎矩及延性系數(shù)結(jié)果如表6所示。

表5槽式連接正交試驗(yàn)方案Table 5Orthogonal Test Scheme of Groove Connection

圖14各組槽式連接的M-θ曲線Fig.14M-θ Curves of Several Groove Connections

4.2各因素影響規(guī)律分析

采用直觀分析法分析各因素對(duì)于新型連接力學(xué)性能的影響規(guī)律以及主次關(guān)系。根據(jù)3個(gè)水平的均值判斷其對(duì)新型連接力學(xué)性能的影響規(guī)律，通過(guò)極差判斷其對(duì)新型連接力學(xué)性能的影響程度，如圖15所示。

由圖15可以看出：開(kāi)槽個(gè)數(shù)由2增至3，剛度和屈服彎矩小幅減小，延性系數(shù)提高92.1%；開(kāi)槽個(gè)數(shù)由3增至4時(shí)，剛度減小12.8%，屈服彎矩降低11%，延性系數(shù)提高12.3%。開(kāi)槽邊距由30 mm增大至50 mm時(shí)，剛度無(wú)明顯變化，屈服彎矩先顯著提高12.5%后緩慢增加，延性系數(shù)總體降低27.1%。開(kāi)槽長(zhǎng)度由80 mm增大至100 mm時(shí)，剛 度也無(wú)大幅變化，屈服彎矩降低15.9%，延性系數(shù)提高27.2%。削弱高度從120 mm增加至180 mm時(shí)，初始剛度減小11.1%，屈服彎矩減小7.6%，而延性系數(shù)明顯增加1.27倍。

表6各組槽式連接模型的力學(xué)性能與延性系數(shù)Table 6Mechanical Properties and Ductility Coefficients of Each Group of Groove Connection Models

圖15槽式連接各因素對(duì)力學(xué)性能的影響Fig.15Influence of Various Factors on Mechanical Properties of Groove Connection

綜上所述，對(duì)于槽式連接，初始剛度與4個(gè)因素都有關(guān)，其中開(kāi)槽個(gè)數(shù)與削弱高度影響最顯著，開(kāi)槽個(gè)數(shù)的增加會(huì)顯著降低初始剛度；開(kāi)槽長(zhǎng)度及開(kāi)槽邊距的影響次之，但都不可忽略。各因素對(duì)屈服彎矩的影響都比較明顯，屈服彎矩隨削弱高度、開(kāi)槽個(gè)數(shù)以及開(kāi)槽長(zhǎng)度的增加而減小，隨開(kāi)槽邊距增加而增大。連接的延性主要受到開(kāi)槽個(gè)數(shù)和削弱高度影響，在水平1至2間變化時(shí)，影響程度最大。

5結(jié)語(yǔ)

(1)在普通連接基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了新型削弱型梁柱連接，對(duì)多組有限元模型進(jìn)行靜力加載分析。結(jié)果表明，新型梁柱連接的應(yīng)力與變形主要集中于鋼填板連接件、木梁螺栓孔周邊及螺桿等部位。合理確定削弱高度和開(kāi)槽個(gè)數(shù)可使鋼連接件的屈服早于木梁螺栓孔周邊橫紋劈裂，連接失效時(shí)，連接件可發(fā)生大面積的屈服，顯著增大了連接的延性，有效避免了木梁過(guò)早劈裂。

(2)新型連接在受力過(guò)程中經(jīng)歷彈性階段、連接件屈服階段和破壞階段。彈性階段梁端荷載以彎矩的形式傳遞至鋼填板連接件，鋼板的螺孔周圍應(yīng)力和變形較大；屈服階段鋼填板連接件的削弱部位塑性變形顯著，開(kāi)始耗散能量；破壞時(shí)梁螺孔周圍有局部橫紋，拉應(yīng)力超過(guò)其該方向的抗拉強(qiáng)度，但未形成貫通區(qū)域，說(shuō)明木梁未發(fā)生劈裂。鋼填板連接件的屈服發(fā)生在整個(gè)連接破壞之前，有效增強(qiáng)了梁柱連接的延性性能。

(3)開(kāi)槽個(gè)數(shù)、開(kāi)槽邊距、開(kāi)槽長(zhǎng)度、削弱高度等是影響新型梁柱連接力學(xué)性能的重要因素。削弱高度和開(kāi)槽個(gè)數(shù)對(duì)于槽式連接的影響很明顯。隨著削弱高度和開(kāi)槽個(gè)數(shù)的增加，連接初始剛度有所降低，屈服彎矩減小，延性分別提高1.16倍和1.27倍；開(kāi)槽邊距增大，連接的承載力得到提高，初始剛度略微增大，但延性降低達(dá)27.1%；開(kāi)槽長(zhǎng)度對(duì)新型連接的影響有限，但也不可忽略，隨著開(kāi)槽長(zhǎng)度的增大，初始剛度及屈服彎矩有一定減小，延性系數(shù)提高27.2%。影響因素的分析為梁柱連接的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。