T型鋼連接梁柱半剛性節點承載力影響因素研究

黃俊飛

(西南交通大學，四川成都 610031))

隨著經濟快速發展，鋼結構由于其輕質高強的特點在各類建筑結構中廣泛使用。鋼結構中梁柱連接節點形式眾多，其中T型鋼連接半剛性節點將梁柱通過T型連接件和螺栓連接起來，便于加工安裝，且避免了焊接帶來的殘余應力等不利影響，具有很好的應用前景。

鋼結構節點區域往往受力復雜，需要保證節點具有良好的變形能力和承載能力。目前研究T型鋼連接半剛性節點的承載能力和抗震性能的方法主要有試驗方法，數值方法。Popov[1]等通過對T型鋼連接半剛性節點進行低周往復加載試驗，發現加載后期T型連接件翼緣屈服與柱分離，節點具有良好的耗能能力。Latour[2]等分析得出T型鋼連接節點比焊縫連接節點等其他傳統節點耗能性能強，同時提出了T型鋼連接節點在往復荷載下的受力性能理論模型。戴紹斌[3]等通過擬靜力試驗研究T型鋼連接節點，提出T型件翼緣剛度不同對延性影響較大。鄭小偉[4]對T型鋼連接節點施加低周往復荷載，分析了各試件的破壞特征和破壞機理，并探討了影響節點滯回性能的決定因素，典型破壞模式為T型鋼翼緣破壞，T型鋼尺寸對節點性能影響較大。

本文利用有限元軟件ADINA，選用雙線性隨動強化材料模型，建立了有限元模型，改變T型鋼連接件翼緣的厚度，建立了不同模型，研究了T型鋼連接件翼緣厚度對節點破壞形態和承載力的影響。

1 試驗簡介

圖1展示了試件安裝及加載裝置[5]。通過T型鋼連接件及高強螺栓將梁柱連接起來，試件BASE尺寸如圖2所示，梁柱及T型鋼均采用Q235鋼材，螺栓為10.9級高強螺栓。試件柱腳用高強螺栓連接到置有壓梁的鋼梁上，壓梁固定在場地地溝槽中。柱頂由WY30B-V高精度液壓穩壓器控制的油壓千斤頂提供豎向荷載，控制柱軸壓比為0.3。梁端設置作動器，施加豎向荷載。

圖1 試件安裝及加載裝置[5]

圖2 試件BASE尺寸(單位：mm)[5]

2 計算模型

ADINA軟件具有強大的非線性問題解決能力，受到廣大用戶的推崇。本文采用ADINA軟件建立T型鋼連接半剛性節點模型，進行求解分析。

2.1 材料本構

Q235鋼材本構采用雙線性隨動強化塑性材料模型(圖3)，材料力學性能參數如表1所示。

表1 鋼材力學性能

圖3 有限元分析模型

2.2 計算單元及接觸設置

梁柱及T型鋼用4節點Shell單元模擬，網格尺寸控制為15 mm，螺栓孔位置附近受力復雜，對其進行網格加密處理。劃分網格后有6 624個Shell單元。T型鋼連接件翼緣和柱翼緣，T型鋼連接件腹板和梁腹板之間設置面面接觸，摩擦系數取0.4。

2.3 邊界條件及加載制度

根據試驗情況，試件柱底邊界條件設置為全約束，柱頂釋放轉動約束和柱壓力方向平動約束。將梁端節點，柱頂節點分別通過剛性連接耦合到一點，柱壓力在柱頂以集中力形式施加在耦合點，同樣梁端位移施加在耦合點。這樣，柱頂集中力荷載相當于均勻面荷載，梁端側面各節點亦具有相同的位移荷載。

2.4 計算參數取值

表2中給出了用于節點承載力參數分析的參數取值，主要分析T型鋼翼緣厚度t的影響，這些取值均參考了一些實際的工程設計，b1為T型鋼腹板厚度。

表2 主要參數分析取值 mm

3 結果分析

3.1 破壞形態

梁端施加向上的位移荷載，下T型鋼連接件翼緣及腹板受拉，塑性應變主要在螺栓孔周圍及翼緣腹板交界處，腹板有明顯彎曲變形，連接件與柱翼緣脫開(圖4)。

圖4 T型鋼連接件應變云

3.1 T型鋼翼緣厚度

改變T型板翼緣厚度，梁端節點力-位移曲線如圖5所示。不同T型板翼緣厚度，力-位移曲線的總體趨勢是一致的，隨著位移荷載的增大，節點反力先增大，后趨于平穩。

圖5 梁端節點力-位移曲線

從圖6可以看出，隨著T型板翼緣厚度從8 mm，增加為12 mm、15 mm、20 mm，節點極限承載力不斷增加，依次為65.60 kN、89.91 kN、124.75 kN、144.39 kN，增幅分別為37.06 %、38.75 %、15.74 %。T型板翼緣厚度的增加，對節點極限承載力的影響較大，但翼緣厚度從15 mm增加到20mm時，極限承載力增加幅度降低，翼緣材料強度得不到充分利用。因此，T型板翼緣厚度應控制在合理范圍內，厚度太小會導致節點承載力不夠，厚度過大會浪費材料。

圖6 T型板翼緣厚度對極限承載力影響

4 結論

(1)T型板連接件翼緣厚度對節點極限承載力有明顯影響，腹板破壞有明顯彎曲變形。

(2)翼緣厚度增加，節點極限承載力增大，但翼緣厚度超過柱翼緣厚度時，承載力增幅降低。