方鋼管-板連接節點在軸拉作用下的剪切滯后效應分析

甘晶，徐殿富，方成，何建春，胡夢菲

（1.浙江省工業設計研究院有限公司，浙江 杭州 310052；2浙大城市學院土木工程系，浙江 杭州 310012）

0 前言

實際工程中，側面焊縫是軸心受力板件連接的主要形式，導致鋼結構構件拼接存在非全截面傳力的情況，例如支撐節點，因連接節點處構件形式發生轉變，兩構件非全截面連接，若構件通過抗剪連接，產生應力分布不均，出現剪切滯后現象，截面強度無法發揮。美國AISC、加拿大CAS規范基于螺栓連接的形式給出的剪切滯后截面折減系數。而對焊接情況分析較少。得出的公式并不一定適用于側面焊縫連接的情況。

我國學者翁蘭溪等[1]關于圓管、板連接節點剪切滯后現象進行了試驗和有限元研究，得出管板連接節點存在剪切滯后現象。2017年頒布的新《鋼結構設計標準》（GB50017-2017）中，對常用的角鋼、H型鋼非全截面連接，給出了危險截面有效截面系數。而對其他截面形式并未給出，在結構設計中，設計師缺乏對規范未規定的截面形式通過側面焊縫連接節點的受力機理，按規范軸心受力構件公式進行設計，忽略剪切滯后的影響，存在一定的安全隱患。

關于空間結構及高層鋼結構中方管-板連接形式中方管的連接效率問題，并未有學者進行研究，方鋼管-板連接節點非全截面連接，規范中也未給出了危險截面有效截面系數。本文基于前期對圓管-板連接節點在軸向力作用下剪切滯后效應的研究[2]，通過有限元分析，了解方管-板連接節點節點受力性能，給出剪切滯后效應系數，對實際項目設計起到指導性作用。

1 有限元模型

1.1 試件設計

本次有限元分析共設計9個構件，重點考察鋼管與板連接長度Lw對承載力的影響，試驗材料選用Q235B鋼材，鋼管管徑、開槽長度見表1，試件尺寸見圖1。均為軸心受拉試件。

試件細部尺寸 表1

圖1 試件細部尺寸

試件設計之前按照鋼結構設計標準對構件進行設計，取擴散角為30°，連接板厚度均為20mm，保證焊縫連接先于連接板破壞。

1.2 模型建立

本文選擇ABAQUS有限元模擬分析軟件進行方鋼管-板連接節點在軸心受拉作用下的剪切滯效應進行分析。前期已有學者對鋼結構連接節點的剪切滯后效應進行試驗和有限元分析并取得了預期的效果和結論[3～5]，并將相關結論寫入新版鋼結構設計標準。說明用有限元軟件abaqus、ansys等通用有限元軟件分析的結果可靠。

本文選用鋼材為Q235-B，其應力應變關系采用彈性-塑性-強化模型。屈服強度按規范取Q235MPa，極限強度取370Pa。本研究采用ABAQUS建立方管-板連接節點的三維有限元分析模型。在有限元模型中，采用C3D5實體單元，并且考慮合理的邊界條件，采用位移模擬加載，單元的選取、網格劃分及邊界條件見圖2。

圖2 有限元模型及網格劃分

2 結果分析

有限元實體單元建模，采用位移加載，分析得出Von-Mises應力圖，管-板連接處應力集中現象明顯，破壞形態均為開槽部分管發生剪切破壞。管板連接部分達到屈服時，方管中未與連接板連接邊應力仍較小（圖中藍色部分），說明方管徑向應力分布不均，構件截面效率并未充分發揮。對比圖4中圖a、圖b、圖c知隨著Lw長度的增加，未與板連接邊應力逐漸增大，說明Lw的增加雖然會提高截面效率，但仍存在“零應力”區，如圖4中圖d所示，說明該連接剪切滯后現象明顯。

為形象說明有限元分析結果，將應力以應力流形式表達，板僅有一小部分與管連接，如果提高板的承載力，需要將局部連接應力擴散到板的橫斷面內，即擴散到沒有連接部分，可以解釋為板的應力會從連接的一條線開始流向未連接部分，連接處應力密度最大，該斷面應力分布不均，距離連接處越遠，應力密度變得均勻，應力集中不明顯，如圖3所示，鋼管部分應力流也從開槽處不均勻向均勻過渡。從有限元應力云圖可知，鋼管開槽長度越長，連接部分應力分布相對均勻。

圖3 應力跡線示意圖

圖4 典型試件應力云圖

3 承載力分析及折減系數建議

為了更直觀地表達剪切滯后對軸拉構件的影響，將剪力滯后系數用公式表達，其中：

α——剪力滯后系數

Fu——構件極限荷載

f——鋼材的抗拉強度

A——正截面面積

Av——受剪截面面積

各個構件分析結果 表2

從表二兩組結果分析結果可知，隨著開槽長度Lw的增加，極限承載力增加，α增加；達到一定程度時，承載力和α基本保持不變，α值均在0.9以上，如GJ3、GJ4承載力接近、GJ7、GJ8承載力接近。α基本保持不變，但小于0.95。

以上數據分析，在節點設計時，軸心受拉工況下，按照內力進行連接設計時應對連接進行折減，建議折減系數α取0.85。按照構件全截面設計方法設計截面時，分析得出α均大于0.9，連接達不到全截面有效，為此在構件設計時，構件應力比建議不大于0.9。

4 結論

鋼結構工程中，方管卓越的受力性能經常會被用在重型廠房的支撐、高層建筑的柱子、支撐、以及空間結構的主要受力構件等工程中，新鋼結構規范針對角鋼、槽鋼、H型鋼的危險截面折減系數進行了規定，給工程設計提供了非常便利的指導，而在方鋼管插板連接節點對接、和連接設計時，設計人員往往按照桿件內力進行連接節點強度設計，而未考慮剪切滯后的影響，而實際上，方管-板連接是做不到全截面有效設計時應充分重視。

本文針對方管插板連接節點進行有限元分析，來研究節點的剪切滯后影響，得出影響連接節點截面效率的因素，影響該連接節點承載力的因素為方鋼管與板的連接長度，在相同管徑的情況下，開槽長度的增加可以提高構件的承載力。并按應力流的形式對該連接節點的應力分布進行說明，本文并給出該種連接形式的剪切滯后影響系數建議值。提出減緩剪切滯后效應的措施及剪切滯后系數的建議值。