钢框架带悬臂梁段拼接节点的承载特性分析1.doc

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1、钢框架带悬臂梁段拼接节点的承载特性分析1常鸿飞，夏军武，靳大勇 中国矿业大学建工学院，江苏徐州（221008） E-mail：honfee摘要：通过有限元计算研究钢框架带悬臂梁段等强拼接节点与可滑移拼接节点的承载特 性，得到两者的弯矩-转角曲线和变形、破坏形态，分析不同拼接强度对节点承载性能的影 响。经过分析发现虽然可滑移拼接节点的梁翼缘腹板拼接均有所削弱，但其极限承载力并未 降低，且转动能力比等强拼接节点提高 34.8；进一步对可滑移拼接节点的变形进行分析， 发现滑移能显著提高节点塑性转角，并给出滑移对转角贡献的公式，与有限元计算结果吻合 较好。在对比分析的基础上，给出钢框架带悬臂梁段拼接节

2、点的“强焊弱栓”设计建议，供设 计参考。关键词：带悬臂梁段拼接节点；承载特性；数值模拟；弯矩-转角曲线1. 概述作为抗震设计的一个基本原则，“强节点弱杆件”这一设计条件经常会被设计者所忽略。 尤其是在典型的带悬臂梁段拼接的钢框架设计中，该问题更为突出。带悬臂梁段拼接的钢框 架节点将短悬臂梁段与柱在工厂焊接，预留螺栓孔洞，在现场进行梁拼接的高强螺栓安装（图1.a）。该节点应用广泛，但对其受力性能的研究目前还不深入1-8，文献1首先提出了利用 悬臂梁段高强螺栓拼接滑移实现耗能的思想，并建议滑移在弹性阶段不出现而在极限状态出 现；文献2提出了一种改进带悬臂梁段拼接节点性能的措施，梁柱焊接部位不开焊接

3、孔且 对梁翼缘根部进行加强，发现改进后的带悬臂梁段拼接节点的延性发展较好，塑性铰外移； 文献3分析了等强设计拼接的潜在风险，提出了钢框架带悬臂梁段拼接节点的整体设计思 路和建议；文献4对无拼接节点及钢框架带悬臂梁段拼接节点的进行弹塑性分析，发现有 拼接节点能显著提高节点弹性刚度；文献5研究了带悬臂梁段拼接节点的单调加载和循环 加载性能，并通过有限元计算考察了影响该节点的主要参数，给出拼接两阶段及节点整体设 计方法建议。文献678也通过试验和有限元计算研究了该类型节点的循环荷载作用下的 破坏机理，并给出抗震设计建议。这些文献均得出了有利的结论及研究成果，但对这种型式 节点的设计方法尚未明确。这种

4、节点同时包括梁柱焊接和梁高强螺栓拼接两种连接，其中梁 柱焊接应归为节点设计内容，梁-梁拼接则应归为杆件拼接设计内容。目前的设计都将梁柱 焊接与梁的拼接作为两个独立的内容进行设计，比如梁柱焊接采用精确设计法，梁的拼接采 用等强设计法 9-11。这种设计虽然也经过“强节点弱杆件”的校核，但焊接的实际工作性能明 显低于高强螺栓连接，所以独立设计的“节点”与“杆件”通常并不能符合“强节点弱杆件”要 求。因此，正确的设计思路应考虑焊接及拼接的实际承载特性及其相互影响。本文将梁柱焊 接与梁拼接视为整体，考虑等强和可滑移拼接两种情况，通过数值模拟研究带悬臂梁段拼接 钢框架节点的承载特性，并提出针对该节点的“

5、强焊弱栓”设计建议。1本课题得到中国矿业大学青年科研基金资助项目（A2007009）的资助。- 10 -工厂焊接 悬臂梁段中间梁段塑性发展区域柱加劲肋现场安装柱(a)(b)图 1 带悬臂梁段拼接的钢框架节点Fig.1 Steel frame connection with cantilever beam splicing2. 数值模型采用通用有限元软件 ANSYS 对带悬臂梁段拼接的节点进行数值模拟，该通用软件对钢 框架及节点分析的可靠度较高12-13，而对本类型节点的分析结果与试验结果对比在文献【5】 中已有详细介绍，从中可见数值模拟与试验结果有很好的吻合。2.1 模型尺寸模型几何尺寸如图

6、2 所示，柱为 H2003001010，梁为 H160300108。节点核心区 加劲板与梁柱翼缘同厚，梁柱端部加劲肋厚度为 10mm。图中构件 T1 模拟的是梁柱焊接梁 等强拼接节点，T2 为梁柱焊接梁拼接可滑移节点。拼接面采用清除浮锈处理，接触面摩擦 系数取 0.3。高强螺栓等级为 M20 级，等强拼接数目为翼缘单面 6 个，腹板单面 3 个；可滑 移拼接数目为翼缘单面 4 个，腹板单面 2 个。梁拼接的设计方法及过程在文献【4-5】中有 叙述，此处不再详述。简言之，等强度拼接就是要求按被连接的梁翼缘和腹板的净截面符合 等强度条件；可滑移拼接则要求梁拼接在正常使用极限阶段不出现滑移，而在承载

7、极限阶段 前允许螺栓拼接出现滑移。本文设计的节点 T1、T2 分别符合上述等强及可滑移的条件。梁翼缘拼接板梁翼缘拼接板柱加劲肋柱加劲肋梁加劲肋梁加劲肋16051036030001500翼缘拼接板翼缘拼接板150035 90 3555 70 70 120 70 70 55150055 65 120 65 5535 90 3515003000500 1099016055 70 55500 10990150022045 65 65 45 210 210 1500腹板拼接板腹板拼接板45 120 4545 120 452.2 材料本构T1T2180图 2 模型几何尺寸图Fig.2 Geometry D

8、imensions of the Model为了考察节点的破坏特征，定义带下降段的焊缝材料及梁柱材料本构，采用多线性随动强化材料模型：梁柱钢材采用 Q235 钢，其屈服强度取为 235MPa；焊缝为 E43 手工焊，屈 服强度 350MPa。高强螺栓钢材的屈服强度取为 980MPa。所有材料初始弹模 E0=2.06105， 泊松比 =0.3。采用 Von Mises 屈服准则。焊缝、梁柱及高强螺栓的材料模型如图 3 所示， 各关键点具体数值见表 1。焊缝及梁柱材料本构高强螺栓材料本构图 3 焊缝、梁柱板材及高强螺栓材料模型Fig.3 Material models of weld; beam-

9、column planks and high strength bolts表 1 材料模型关键点Table1 Keypoints of material models材料ABCabc编号1焊3504800.1551.512缝2梁2353253750.1141.53.512柱3高强 螺栓备 注98011000.4761.36 A、B、C 为应力项，单位 N/mm2a、b、c 为应变项，单位 10-22.3 单元及约束根据应力复杂程度的不同分别采用不同单元类型，网格划分的精度也与应力复杂程度相 关，核心区网格尺寸较密，远离核心区的梁柱构件网格划分较稀疏。单元选取具体如表 2 所示，核心区网格划分如

10、图 4 所示。约束条件采用柱下端限制所有自由度的固定约束，柱顶限制 x、y、z 三向平动自由度。 考虑对称性，仅建一半模型进行分析。加载采用位移控制的方式，加载点的位置为距柱中心1.44m 处（即梁端中间加劲肋对应点）。表 2 单元类型及数量Table2 Element types and quantities单元数量位置单元名称单元描述 T1T2悬臂梁段 拼接板 拼接梁段梁柱非核 心区高强螺栓 梁柱端加Solid92Solid4510 节点四边形三维实体1475610497单元8 节点六边形三维实体单67264956元Shell63弹性壳单元282282劲肋预紧力Prets179螺栓预紧力单

11、元724492三维 8 节点面-面接触单Contact174接 触元34522262Target170三维面-面接触目标单元48143370总 计3075421859T1T2图 4 梁柱节点核心区网格划分Fig.4 Mesh of the Joints3. 带悬臂梁段拼接节点承载特性分析3.1 弯矩-转角分析节点的弯矩-转角特性曲线表征了节点传递弯矩与梁柱相对转角的关系，是考察节点性 能的一项重要参数14-15。通过弯矩-转角曲线分析可以得到如下节点参数：初始转动刚度 Rin， 极限弹性承载弯矩 Me，极限塑性承载弯矩 Mu，节点转动能力 等。定义弯矩 M 为柱中心 线弯矩，其值为梁端加载点施

12、加荷载 P 与加载点距柱中心距离 L 之乘积；节点转角 为加 载点位移除以加载点至柱中心线距离。图 5(a)分别给出节点 T1、T2 的弯矩-转角（M- ）曲线。由图可见，在弹性阶段 T1、 T2 的曲线差别不大，进入弹塑性及强化阶段后，等强拼接节点 T1 的承载力高于可滑移拼接 节点 T2。T1 曲线一直强化到最高点然后进入下降段，而 T2 在弯矩达到 175kN-m 左右时出 现承载力的平稳段，然后继续上升直到最高点。这是由于 T2 的高强螺栓拼接出现滑移，而 当滑移完成，栓杆挤压孔壁后，承载力会继续上升。将节点的主要性能参数列于表 3，可见 等强拼接节点 T1 的初始刚度大于可滑移拼接节

13、点 T2，但两者弹性承载力接近，且 T1 的极 限承载力（224kN-m）甚至略低于 T2 节点（228.26kN-m）；两节点的最大转角相差较大，在 承载力最高点 T2 的转角为 0.0647rad，T1 为 0.048rad，T2 转动能力比 T1 高 34.8。进一步对 T2 节点的弯矩-转角特性进行分析（图 5(b)），可以发现在弯矩达到 175kN-m 时，滑移转角确有明显的增大，到 185kN-m 以后则趋于稳定，说明孔壁挤压栓杆，起到限 制滑移的作用。250单调加载弯矩转角曲线250T2节点弯矩转角分析200200弯矩/kN-m150T1T210050150弯矩/kN-m1005

14、0全弯矩-转角曲线 弯矩-滑移转角 弯矩-节点域转角000.020.040.060.080.1 转角/rad000.020.040.060.080.1 转角/rad(a)(b)图 5 弯矩-转角曲线Fig.5 Moment-rotation curvers of the Joints节初始刚 点度表 3 节点的主要性能参数Table3 Main parmeters of joint弹性极限承载力 Me（kN-m）极限承载力 Mu（kN-m）最大梁端位编Rin号（kN-m）梁端位移(mm)柱中心弯矩 Mea移(mm)柱中心弯矩 Mea转角(rad)T120568710069.1252240.04

15、8T217785898.8193.125228.260.06473.2 变形及失效形态分析（1）节点变形分析两节点拼接位置的变形如图 6（a）、（b）所示，由图看出在极限状态 T1 节点没有出现 高强螺栓的滑移和中间梁段的转动，而 T2 节点则有明显的中间梁段转动。对允许滑移的带悬臂梁段拼接节点 T2，其单向荷载作用下的典型变形如图 6（c）所示。 图中加载点的位移为 1+2，其中 1 为不考虑拼接滑移时加载点的位移，2 为拼接滑移 引起的加载点位移。如图中滑移示意所示，假设梁翼缘拼接滑移行程为 ，且假设滑移引起 梁绕拼接中心转动，则可以由几何关系计算 2 为： = 2l2 2h式中：h 为梁

16、高；l2 为加载点距拼接中心的距离。例如本文模型加载点距拼接中心 l2979mm，梁高 h300mm，当悬臂梁段与中间拼接梁段的高强螺栓各自出现 1mm 滑移时， 其引起的梁端位移增量高达 13.05mm，对应的转角增量为 0.00133rad。这与有限元计算结果 T2 比 T1 的转角增大值 0.0167rad 很接近，有限元结果偏大是由于极限状态不仅出现螺栓滑 移，而且栓杆挤压孔壁还会产生少量的塑性变形。由此可见，如果能增大螺栓拼接的滑移行 程，将显著提高节点塑性转角，增大螺栓孔径是一个可行的途径。(a)(b)l1l221P拼接中心sHs(c)图 6 拼接及节点变形分析Fig.6 Defo

17、rmation shape of splicing（2）节点失效形态两节点的破坏形态及应力云图如图 7 所示。可见两者的破坏均属于焊缝强度破坏，且下 翼缘切角位置有明显的受压屈曲，说明带拼接的钢框架节点破坏模式还是取决于梁柱焊接部 位的承载力及构造。对等强拼接节点 T1，这种破坏模式是预期内的：因为拼接处的强度明 显高于梁柱连接处特别是梁翼缘根部，而拼接位置的内力又小于梁根部，破坏自然会从根部 开始发展；对于可滑移拼接节点 T2，由于在设计时已经对拼接进行有意削弱，预期的破坏 应出现在拼接位置，尽管高强螺栓拼接已在弹塑性阶段出现滑移，但破坏同样出现在梁根部， 分析其原因有两个方面：其一是由于高

18、强螺栓拼接连接本身即具有较高的承载能力和延性， 即使滑移也能继续承载；其二是由于拼接位置距离梁根部太远，拼接位置的内力尚不足以使 拼接先于梁柱焊接破坏。尽管拼接被削弱，两节点的破坏模式同样为焊缝强度破坏，且 T2 节点的承载力与 T1 节点几乎相等，这说明削弱拼接强度不降低承载力，且有限的滑移能延缓梁柱焊缝的破坏。 当然，要使 T2 节点出现预期的破坏模式，一方面要适当削弱拼接强度，进行焊接与拼接的 极限承载力校核，保证拼接的极限承载力低于焊接，同时拼接位置也不能离开梁端太远，只 有这样才能使极限状态下离开梁端出现塑性铰。另外，如果能对梁柱连接部位进行妥善的构 造加强将更有利于保护梁柱连接，常

19、见的构造措施如增大翼缘宽度、增大翼缘厚度、加翼缘 盖板或梁端加腋都可以采用。3.3 设计建议T1T2图 7 破坏形态及应力分布Fig.7 Failure mode and stress distribution结合前面的分析和对比，对带悬臂梁段拼接节点提出“强焊弱栓”的设计建议：（1）高强螺栓拼接是一种可靠的连接方式，但过大的拼接强度并非最优，将拼接强度 适当削弱不仅不会降低节点的极限承载力，而且可以显著增大节点的塑性转动能力。（2）拼接的削弱应进行精心的设计，一方面要保证正常使用阶段不出现螺栓滑移，另 一方面又要使其在极限状态前出现拼接的滑移。拼接滑移的出现时机可以通过改变高强螺栓 的预拉力

20、和接触面摩擦系数来控制。如图 8（a）将摩擦系数增大为 0.33，滑移弯矩增大至205kN-m，而最大承载力未变化；图 8（b）将高强螺栓预拉力增大为 175kN，滑移弯矩增大 至 190 kN-m。250改变摩擦系数弯矩转角曲线对比弯矩/kN-m250改变预拉力弯矩转角曲线对比200200弯矩/kN-m15015010050miu=0.3 miu=0.3310050pre=155 pre=175000.020.040.060.080.1 转角/rad000.020.040.060.080.1 转角/rad（a）（b） 图 8 滑移出现时机的控制Fig.8 Control of slippag

21、e appearance（3）为了实现拼接滑移，拼接不宜离开梁端过远靠近反弯点太近，因此要求悬臂梁段 的长度不宜过大，而且过大的悬臂梁段长度也带来运输的不便。（4）螺栓孔直径的大小关系到拼接滑移的行程，较大的行程能产生更大的塑性转角， 因此可以通过适当增大螺栓孔径来提高节点的转动能力。但这种增大应受到严格的限制，一 方面应考虑较大孔径引起的较大预应力损失，另一方面则要考虑到较大孔径会引起位移瞬间 突变，产生较大的附加力，对结构的整体稳定不利。（5）要达到更大的塑性转动能力，必须保证破坏不先在梁端焊缝位置出现，因此除了 设计时要求焊缝强度大于拼接强度外，最有效的措施是对梁端进行构造加强，增大翼缘

22、宽度、 增大翼缘厚度、加翼缘盖板或梁端加腋都是较好的构造措施。4. 主要结论1） 可滑移拼接节点 T2 采用较少的拼接螺栓，但其极限承载力较等强拼接节点 T1 并 未降低，且最大转动能力比 T1 高出 34.8。说明带拼接的钢框架节点承载力并不受拼接强 度的控制，弱化的拼接既有其经济性又有其安全性，应在深入研究的基础上推广采用；2） 对可滑移拼接节点 T2 的变形特点进行分析，发现很小的拼接滑移就能显著增大节2点的塑性转角，给出滑移与节点转角增量的关系约为 =，其中 为拼接滑移距离，hh为梁高度；3） 两节点的失效形态均为焊缝位置的破坏及梁翼缘根部的受压屈曲，这说明即使对其 进行削弱处理，高强

23、螺栓拼接仍具有较高的承载能力和延性；适当削弱拼接带来的滑移确实 能起到延缓焊缝破坏的作用，不过要真正实现将塑性铰外移到拼接位置，除了在设计时保证 拼接极限承载力不高于焊接外，还应加强梁柱焊接处的构造处理，如加腋、加翼缘盖板或增 大翼缘宽度等；4） 给出带悬臂梁段拼接节点的设计建议：拼接的滑移时机应控制在正常使用极限状态 以后承载力极限状态之前出现，可以通过改变接触面摩擦系数和高强螺栓预拉力来控制；拼 接位置不宜离开梁端过远，这样既方便运输又利于滑移出现；可以适当增大螺栓孔径或改进 栓孔形状来提高节点的转动能力，但需要深入研究。参考文献1 Astaneh-Asl A. Seismic desig

24、n of steel column-tree moment-resisting framesC. Steel Tips, Structural SteelEducational Council, Moraga, CA, 1997, 42Cheng-Chih Chen, Chun-Chou Lin, Chieh-Hsiang Lin. Ductile moment connections used in steel column-tree moment-resisting framesJ. Journal of constructional steel research, 2006,62:793

25、-8013 常鸿飞，夏军武，吴渭 等. 钢框架树状柱节点整体设计研究J. 建筑钢结构进展，2005，7（3）：49-51.Chang HongFei, Xia JunWu, Wu Wei etc. A Study on the Design of Steel Column-Tree JointJ. Progress inSteel Building Structures, 2005, 7(3):49-51.4 夏军武，常鸿飞. 钢框架柱带悬臂梁段拼接节点的弹塑性分析J. 中国矿业大学学报，2006，35（5）：596-601.Xia JunWu, Chang HongFei. Elastopl

26、astic Analysis on Splice Joints with Cantilever Bearn of Stee1 FrameColumn J. Journal of China University of Mining & Technology, 2006, 35(5):596-601.5 常鸿飞. 钢框架带悬臂梁段拼接节点的耗能性能与设计方法研究D. 中国矿业大学硕士学位论文，江苏. 徐州，2006.6.Chang HongFei. Study on Energy Dissipation and Design Method of Steel Frame Joint with Ca

27、ntilever BeamSplicingD. Graduated degree paper of China University of Mining & Technology, Xuzhou, Jiangsu, 2006, 6. 6 李启才，苏明周，顾强 等. 带悬臂梁段拼接的梁柱连接循环荷载试验研究J. 建筑结构学报，2003，24（4）：54-59.Li QiCai, Su MingZhou, Gu Qiang etc. Experimental study of steel beam-to-column connection with cantilever beam splicing

28、 under cyclic loadingJ. Journal of Building Structures, 2003, 24(4):54-59.7 李启才，苏明周，陈爱国 等. 带悬臂梁段拼接的梁柱连接节点试验分析J.工业建筑，2004，34（6）：74-76.Li QiCai, Su MingZhou, Gu Qiang etc. Experimental Analysis of Steel Beam-to-Column Connection withCantilever Beam SplicingJ. Industrial Construction, 2004, 34(6):74-76

29、8 李启才，陈绍蕃，王万祯. 钢梁螺栓拼接设计方法的分析与建议J. 建筑结构，2002，32（2）：7-9.Li QiCai, Chen ShaoFan, Wang WanZhen. Analyses and Suggestions of Design Methods of Steel BeamSplicingJ. Construction Structures, 2002, 32(2):7-9.9 钢结构设计规范 (GBJ50017-2003)S，中华人民共和国建设部 主编，200310 高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ 99-98)S，中国建筑技术研究院 主编，1998 11 李和华.钢

30、结构连接节点设计手册M. 中国建筑工业出版社，1992.141-147.12A.M.Harte, D.Mc. Cann. Finite element modelling of the semi-rigid behaviour of pultruded FRPconnectionsJ. Journal of Materials Processing Techology, 119(2001), 98-10313 王秀丽，沈世钊，殷占忠 等. 钢框架梁腹板开孔型连接节点力学性能试验研究J.工程力学，2006，23（6）：65-76WANG Xiu-li, SHEN Shi-zhao, YIN Zh

31、an-zhong etc. Experimental Research on Mechanical Behavior ofBeam-Column Connections with Openings on Beam Webs in Steel FramesJ. Engineering Mechanics,2006,23(6):65-7614 陈惠发 著，周绥平 译.钢框架稳定设计M.世界图书出版公司，1999.264-303.15 李国强，沈祖炎 著.钢结构框架体系弹性及弹塑性分析与计算理论M. 上海科学技术出版社.1996Bearing Characteristics Analysis on

32、Steel Frame Joint withCantilever Beam SplicingChang Hongfei, Xia Junwu, Jin DayongSchool of Architecture & Civil Engineering, China University of Mining & Technology, XuzhouJiangsu (221008)AbstractThe bearing characteristics of steel frame joint with equal strength beam splicing and slippageallowabl

33、e splicing is studied respectively by using finite element calculation. The moment-rotation curvers; deformation and failure modes of two joints are gained, and the influence of different splicing strength on the joint bearing characteristic is analyzed. The results show that the ultimate bearing ca

34、pacity of slippage allowable joint does not decrease and the rotation capacity is 34.8 percent larger than that of equal strength splice joint, though the beam flang and web splicing are weakened. Further analysis on the deformation of slippage joint show that the slippage markedly increase the plas

35、tic rotation of joint. Expression to determine the contribution of slippage on the rotation is suggested, and match well with the finite element result. On the basis of analysis and comparation, strong-weld-weak-bolt design suggestions on steel frame joint with cantilever beam splicing are proposed for design reference.Keywords: steel frame joint with cantilever beam splicing; bearing characteristics; numerical simulation; monment-rotation curver作者简介：常鸿飞（1982-），男，河南信阳人，主要从事钢结构及采动区建筑物保护的教学 及研究。