戶內變電站鋼框架新型全螺栓連接節點力學性能研究

吳曉鳴，何宇辰，袁睿

（1.國網安徽省電力有限公司經濟技術研究院，安徽 合肥 230061；2.合肥工業大學，安徽 合肥 230009）

0 前言

目前，戶內變電站主體結構設計常用鋼框架結構，梁柱連接節點采用栓焊連接或工廠全焊接連接，現場安裝時存在較大的焊接工作量。近年來，建筑工業化發展理念提倡工廠預制、現場安裝的作業方式，在工廠里制作完成構件，現場進行無焊接作業下的安裝方式，可提高安裝工作效率，且易于拆卸更換維修。

為了提高變電站現場安裝效率和綜合經濟效益，借鑒美國CONXL公司鋼管混凝土框架全螺栓連接節點設計思路，設計了一種滿足國內《鋼結構設計標準》構造要求的外環套箍鋼柱-端板連接鋼梁全螺栓連接梁柱節點，采用數值模擬方法對這種新型連接節點的力學性能進行計算分析，并提出合理的構造建議。

1 節點構造及尺寸

1.1 節點構造

外環套箍鋼柱-端板連接鋼梁全螺栓連接鋼框架節點構造如圖1所示，節點主要連接方鋼管框架柱和橫截面為H型的框架梁。根據我國現行《鋼結構設計標準》的要求對鋼柱外環套箍與梁端套板上的螺栓間距以及具體布置進行確定，同時也確定了柱面和梁端套板尺寸。鋼柱外環套箍與柱通過焊接相連，梁端套板通過焊接與鋼梁連接，鋼柱外環套箍與梁端套板通過8顆高強螺栓連接，形成梁柱連接。

圖1 節點構造

1.1.2 節點尺寸

鋼柱外環套箍和梁端套板的具體尺寸見圖2。其中框架柱的尺寸是采用300×300×12mm的方形截面，H型框架梁的具體尺寸是HW300×500×12×8mm。螺栓直徑為24mm，螺栓孔邊距和中心間距分別是螺栓孔徑的兩倍和三倍以上。框架梁柱以及連接套箍、套板的材料均采用Q345鋼，螺栓采用10.9摩擦型高強螺栓，螺栓的預拉力取225kN，摩擦系數采用0.4。

圖2 節點尺寸

1.2 材料參數

使用Q345鋼材的框架柱和框架梁以及連接套筒，Q345密度為ρ=7.85×10.5g/mm3，彈性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比 μ=0.3。

鋼柱外環套箍和梁端套板通過高強螺栓連接。高強螺栓密度ρ=7.85×10.5g/mm3，屈服強度fy=940MPa，彈性模量 E=2.06×105N/mm2，泊松比為μ=0.3。

1.3 單元選取網格劃分

1.3.1 單元選取

模型相互作用的接觸面有“硬”接觸，因此我們采用ABAQUS單元庫中的C3D8I，即八節點六面體線性非協調模式單元。考慮節點處可能存在應力集中的現象，我們選用線性非協調單元。

1.3.2 網格劃分

在ABAQUS中建立節點模型，為所有部件選用八節點六面體線性非協調模式單元。在劃分網格時考慮精度和運行速度的問題，對部件不同部位分別劃分網格。鋼柱外環套箍和梁端套板網格劃分較細，其他部位網格劃分較為稀疏，整個節點的網格劃分如圖3所示。

圖3 節點處網格劃分

1.4 接觸問題

接觸問題是有限元模擬必須解決的非線性問題，在梁端低周期位移荷載作用下，不同部件的接觸問題都比較復雜，需要進行多次迭代計算。本模型中主要考慮以下三組接觸對，分別是鋼柱外環套箍和梁端翼緣套板之間，螺栓桿與孔壁以及螺帽與梁端翼緣套板。將剛度較大接觸面定義為主表面，剛度較小的接觸面定義為從表面，如圖4所示。

圖4 接觸設置情況

2 節點破壞模式

計算得到節點在低周期反復位移荷載作用下的受力過程如圖5所示。隨著荷載的不斷增大，梁端套板發生變形。螺栓是連接梁端套板和鋼柱外環套箍，梁端套板變形逐漸增大，導致螺栓發生一定程度的滑移，并且與螺栓相連的鋼柱外環套箍也發生彎曲變形，最終梁端套板與鋼柱外環套箍發生部分滑移脫離。

圖5 試件破壞形式

從應力圖可以看出，框架柱的最大應力發生在柱面與鋼柱外環套箍連接處，應力最大不超過250MPa，框架柱未發生屈服，并且應力有向四周減小趨勢。梁端套板上最大應力集中在套板與鋼梁的連接處，應力路徑沿著45。方向逐漸減小。應力最大已經高達428MPa，連接處發生局部屈服；在鋼柱外環套箍上，邊距螺栓孔周圍的應力明顯大于中間螺栓孔周圍的應力，柱面上套板的應力大于柱面下套板的應力。原因是靠近柱子的螺栓承受的來自梁端的位移荷載更大，導致螺桿的滑移變形更加明顯，使得與螺桿相連接的鋼柱外環套箍產生較大壓應力，最大壓應力高達412MPa，出現局部屈服現象。螺栓桿與螺栓孔壁接觸導致螺栓受剪，承受較大的剪應力，螺栓最大應力為985MPa，出現局部屈服。

3 影響參數分析

通過改變柱壁厚度、梁端翼緣套板厚度這兩個參數，通過有限元模擬研究這兩個參數對本文所做節點的力學性能方面的影響。為達到研究目的，共設計兩類6個節點試件模型，每個節點模型的具體尺寸見表1以及表2。

3.1 柱壁厚度參數影響分析

我們設計了3組不同柱壁厚度節點試件JZ-1、JZ-2、JZ-3，具體尺寸如表1所示。

表1 JZ試件設計參數

圖6為3個不同柱壁厚度試件在低周反復荷載作用下應力云圖。由圖6可得，當增大框架柱的柱壁厚度，節點處的最大應力區域面積有減小的趨勢。鋼梁上最大應力集中于鋼梁與節點連接處，此處的應力強度較大，超過了材料的屈服強度導致破壞。仔細對比這三幅圖可得，增加柱壁厚度可以降低節點處應力，并改變節點最大應力位置。即隨著柱壁厚度的增加，柱剛度提高，破壞位置有向鋼梁移動的趨勢。

圖6 JZ系列節點應力云圖示意

圖7為JZ系列試件的梁端荷載-位移曲線圖。從整體上觀察這三組圖形可以發現，三組試件的滯回曲線圖均比較扁，不是很飽滿。從整體上觀察，這三個滯回曲線圖的變化趨勢基本相似；從JZ-1到JZ-3隨著增大柱壁厚度，荷載-位移曲線圖越來越飽滿，并且下降階段第三組的斜率小于第一組和第二組，表明增大柱壁厚度能夠有效提高試件的抗震性能，提高節點的延性，減緩節點剛度退化速度。

圖7 JZ系列節點梁端荷載-位移曲線

圖8為JZ系列試件在低周期反復荷載作用下的梁端骨架曲線圖。觀察圖形可得，三組試件在剛開始加載階段的荷載-位移曲線圖基本重合，表明三組試件初始彈性剛度基本相同。隨著位移荷載不斷增加，當加載到50mm左右時，觀察圖形可得，荷載-位移曲線的斜率逐漸降低，節點進入彈塑性階段。隨著位移荷載繼續增加，當荷載達到130mm時，三組試件均已達到極限強度。比較三組極限承載力可得，第二組和第三組試件的極限承載力相較于第一組分別提高2.76%和2.63%。隨著位移荷載的持續增加，試件由彈塑性階段進入破壞階段，由圖中三條曲線的走向可知，JZ-3組試件的承載力下降速率相對于其他兩組較低，說明增加柱壁厚度這一因素是降低節點剛度退化曲線的重要措施。綜上所述，通過對比三組試件有限元模擬結果，為了提高極限承載力和降低剛退退化曲線速率，選擇截面高厚比為25左右的框架柱較好。

圖8 JZ系列節點梁端骨架曲線

3.2 梁端翼緣套板厚度影響分析

改變梁端套板尺寸設計了JJ組試件，并以JJ-1、JJ-2、JJ-3命名，具體尺寸如表2所示。

表2 JJ試件設計參數

圖9為JJ系列試件在低周反復位移荷載作用下應力云圖。從圖9可得，當增加梁端翼緣套板厚度時，節點相連處，梁端套板與鋼柱外環套箍的連接更加緊密，兩者的位移形變減小，與鋼柱的接觸更加充分，梁端翼緣套板與鋼柱外環套箍的連接增強，整體剛度增大,試件節點域的屈曲程度和應力都逐漸增大。說明增大梁端翼緣套板厚度能夠加強節點的強度和穩定性。

圖9 JJ系列節點應力云圖示意

圖10為JJ系列試件的滯回曲線。由此滯回曲線可得，JJ系列節點的滯回曲線整體較扁，不夠飽滿，呈現梭形無捏縮形象。從整體上觀察，這三個滯回曲線圖的變化趨勢基本相似，隨著梁端套板厚度的增加，滯回曲線往更加飽滿的趨勢發展，表明增加梁端套板厚度可以有效提高節點的抗震性能。并且，隨著梁端套板厚度增加，節點極限承載力也在緩慢上升。

圖10 JJ系列節點梁端荷載-位移曲線

由圖11可得，試件JJ-1～JJ-3的極限承載力分別為 220.6，229.7，233.1kN，JJ-2和 JJ-3與 JJ-1相比分別提高1.32%，5%。進入破壞階段，3個試件承載力下降速率基本相同。從整體上看，增大梁端套板厚度，能夠明顯提高試件的極限承載力。

圖11 JJ系列節點梁端骨架曲線

4 結論

利用有限元軟件模擬低周期反復荷載作用外環套箍鋼柱-端板連接鋼梁全螺栓連接鋼框架節點的受力性能，通過分析可得：

①外環套箍鋼柱-端板連接鋼梁全螺栓連接鋼框架節點因其構造原因導致破壞發生在梁端與節點交界處附近。

②增加柱壁厚度能在一定程度上增加節點的極限承載力，并從滯回曲線中得出柱壁厚度的增加能提高節點的抗震性能和降低其剛度退化速度。

③梁端翼緣套板厚度對節點的滯回性能有一定的影響，能明顯提高節點極限承載力以及抗震性能。