预应力装配式梁-梁拼接节点受力性能研究.pdf

钢结构2016 年第 12 期第 31 卷总第 216 期 预应力装配式梁 － 梁拼接节点受力性能研究 * 焦燏烽张店刘丰军赵果 河南科技大学土木工程学院，河南洛阳471023 摘要 装配式钢结构的核心在于合理的连接构造及节点， 提出一种新型预应力装配式梁 － 梁拼接节点， 通过在腹 板及下翼缘处设置法兰板及加劲板， 实现节点快速拼接。为考察该节点的受力性能， 对节点进行非线性有限元分 析， 模型充分考虑螺栓接触性能， 深入研究梁 － 梁拼接区的应力分布规律和刚度特性， 并与试验结果对比。初始刚 度的数值计算结果为 5 537. 5 kN m/rad， 与试验相差 11. 6， 极限弯矩误差为 8. 8， 与试验结果吻合较好; 往复荷 载作用下， 连接法兰板的螺栓由摩擦型转为承压型连接。该类型节点整体受力合理、 传力明确， 符合工业化装配式 钢结构体系的设计要求。 关键词 建筑工业化;装配式钢结构;预应力;拼接节点 DOI 10. 13206/j． gjg201612013 MECHANICAL PEＲFOＲMANCE OF PＲESTＲESSED BEAM- TO- BEAM SPLICED CONNECTION FOＲ PＲEFABＲICATED STEEL STＲUCTUＲE Jiao YufengZhang DianLiu FengjunZhao Guo School of Civil Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471023，China ABSTＲACT Ｒeasonable joint design is the key point to realize steel structure assembled effectively． A new type of prestressed beam- to- beam spliced connection was proposed． The main feature of the joint is that the flange plates and stiffers are positioned at the web and bottom of the flange of beam． The FEA model was applied to analyze the mechanical behavior of the joint by using ANSYS，with full consideration of contact algorithm． The stress and stiffness behavior of the joint were obtained，which were compared with the experimental resluts． It was found that the numerical results had good coincidence with test． Specifically， initial stiffness of the numerical results was 5 537. 5 kN m/rad， with 11. 6 difference with the test and 8. 8 of ultimate moment． The high- strength bolt of flanges was converted into bearing type from friction- type under cyclic load． The proposed new joint had better mechanical behavior and definite force transmission way and could meet the requirements of industrial prefabricated steel structure． KEY WOＲDS construction industrialization;prefabricated steel structure;prestress;spliced connection * 国家自然科学基金项目 51508164 ; 河南科技大学博士科研 启动基金项目 13480022 。 第一作者 焦燏烽， 女， 1978 年出生， 博士， 副教授。 Email jiaoyufeng haust． edu． cn 收稿日期 2016 －08 －10 2016 年 2 月 中共中央国务院关于进一步加强 城市规划建设管理工作的若干意见 提出， 力争用 10 年左右时间， 使装配式建筑占新建建筑的比例达 到 30。与其他建筑材料结构体系相比， 钢结构是 最适合实现设计标准化、 构配件生产工厂化、 施工装 配化的重要结构类型， 也是实现绿色建筑的最佳结 构形式。而我国目前采用的钢结构建筑没有充分发 挥装配式建筑的优势， 未考虑结构是否可实现快速 施工， 震后能否快速修复、 快速重建等问题。装配式 建筑的核心在于合理的连接构造及节点， 要求既要 符合现代施工技术和工业化要求， 又要具有良好的 耗能能力， 保证强度、 刚度等力学性能。 目前国内外对钢结构节点的研究已经开展得较 为广泛， 但是由于装配式钢结构节点并不多见， 对装 配式结构的研究也多集中于结构体系。远大可建公 司提出“节点加强型斜撑钢框架结构体系” ［1 ］， 柱 拼接采用类似于法兰连接的柱座， 通过试验发现部 分法兰节点发生破坏， 法兰连接处节点板翘起， 甚至 连接螺栓被拔出， 因此节点还需要进一步改进。美 国 2010 版 钢结构抗震设计规范 ［2 ］推荐了 Conx- tech 钢框架体系 Conxtech Space Frame System ， 此 结构利用内外套板的插头与插座随着钢梁从上往下 就位， 方便地实现梁柱的锁定， 最后 4 个外套板之间 采用高强螺栓紧固来完成梁柱节点的拼装， 以满足 刚度要求。陈以一等将梁贯通式节点用于分层装配 式钢结构工业化住宅体系中［3 －4 ］， 为实现分层安装 的需要而将梁贯通、 柱分层， 形成梁担柱的构造 方式 ［5 ］。 46 工程设计 Steel Construction. 2016 12 ，Vol. 31，No. 216 本文提出一种预应力装配式梁 － 梁拼接节点， 通过前期对此节点进行的单向及循环加载试验看 出， 此节点整体受力合理、 传力明确， 符合工业化装 配式钢结构体系设计要求。为深入研究梁 － 梁拼接 区的应力分布规律和刚度特性， 本文利用有限元软 件 ANSYS 对节点进行非线性有限元分析， 模型充分 考虑螺栓接触行为。 1预应力装配式梁 －梁拼接节点 节点构造如图 1 所示， 在拼接处， 梁腹板采用摩 擦型连接高强度螺栓。在腹板及下翼缘截面上焊接 法兰板， 两法兰板之间用高强度螺栓实现两段梁的 连接。法兰板两侧设置加劲板， 分别焊接于法兰板 及梁腹板上。 1上翼缘俯焊; 2拼接板; 3高强度螺栓; 4法兰板; 5加劲板。 图 1预应力装配式梁 － 梁拼接节点 2节点设计方法 2. 1抗剪设计 由于节点构造的特殊性， 导致抗剪截面减小， 因 此除了按照腹板等强度计算外 式 1a ， 尚应根据 梁两端作用弯矩之和除以梁的净跨所得到的剪力 式 1b ， 并考虑作用在拼接连接处的剪力设计值 式 1c ， 来确定螺栓数目， 通常取 3 个计算结果 的最大值。 nwb≥ Ab nwfv NbH v 1a nwb≥ Mb L Mb Ｒ l0NbH v 1b nwb≥ V NbH v 1c 式中 V 为拼接处剪力设计值; Ab nw为梁腹板扣除高 强度螺栓孔后的净截面面积， 可近似取腹板毛截面 面积的 85; fv为钢材的抗剪强度设计值; NbH v 为单 个摩擦型连接高强度螺栓的抗剪承载力设计值， 按 GB 500172003钢结构设计规范 ［6 ］的相应规定 计算; Mb L、 M b Ｒ为分别为梁两端的弯矩值; l0为梁净 跨度。 2. 2抗弯设计 抗弯设计中， 考虑到梁端部主要产生负弯矩， 但 也会有正弯矩出现的情况， 将下翼缘设计成用法兰 加高强度螺栓连接的方式。当出现负弯矩时， 可通 过法兰板接触受压传递; 出现正弯矩时， 可通过高强 螺栓受拉抵抗。设计节点组件的尺寸时， 弯矩设计 值可近似按式 2 计算 M Wf 2 式中 W 为梁截面的截面模量; f 为钢材的抗拉、 抗 压和抗弯强度设计值。 计算正弯矩时， 取梁截面中心为转动中心， 按螺 栓拉力 Nb ti与螺栓中心至转动中心的距离 yi成正比 计算螺栓数量。 nfb≥ Nb ti Nb t 3 其中Nbti Myi ∑y 2 i 式中 Nb ti为单个高强度螺栓的抗拉承载力设计值。 负弯矩由上翼缘焊缝及下翼缘法兰板共同抵 抗， 弯矩的分配由截面惯性矩分配。假定截面转 动中心为梁截面中心， 拼接处弯矩分配如图 2 所示。 图 2拼接处弯矩分配计算示意 对上翼缘 MtF ItF ItF Ib F M 4a 对下翼缘 Mb F Ib F ItF Ib F M 4b 上翼缘对接焊缝 σ 2MtF Hb－ tfb lwt ≤ f w t 4c 56 焦燏烽， 等 预应力装配式梁 － 梁拼接节点受力性能研究 钢结构2016 年第 12 期第 31 卷总第 216 期 其中ItF 1 12Bbt 3 fb Bbtfb Hb－ tfb 2 2 Ib F 1 12BbH 3 f BbHf Hb－ Hf 2 2 下翼缘法兰板拼接处， 法兰板可近似为三边支 撑的矩形平板， 根据弹性薄板小挠度理论的假定， 可 计算板在平均压应力 q 作用下的单位板宽的弯矩系 数 m。 平均压应力 q 可近似按式 5 计算 q 2Mb F Hb－ Hf BbHf 5 单位板宽的最大弯矩 Mmax mqH2 f 6 拼接处 σ Mmax W Mmax 1 6 t2 ≤ f 7 由式 7 可得拼接处法兰板厚 t ≥ 6Mmax 槡f 8 3节点受力性能分析 3. 1有限元模型 梁柱截面选用型钢 HN250 250 9 14， 法兰 板处采用 10. 9 级 M30 高强度螺栓，腹板处采用 8. 8 级 M20 摩擦型高强度螺栓。计算单元选用结构 实体单元 Solid 185［6 ］， 单元模型如图 3 所示。荷载 施加在距梁拼接节点 1 m 处。荷载分两步， 第一步 施加高强度螺栓预拉力， 第二步施加框架梁端单调 竖向荷载或往复荷载， 加载初始步长取为 10 kN， 采 用牛顿 － 拉夫森法进行迭代， 使用位移作为收敛标 准。螺栓预紧力的施加采用 Pres 179 单元 ［7 ］。 图 3实体元有限元模型 3. 2材料本构模型 进行分析时假定结构主要构件单元的材料模型 为理想弹塑性模型， 钢材为 Q345B， 泊松比为 0. 3， 材 料弹塑性的发展和单元刚度由 von Mises 屈服准则及 相关的流动法则确定， 采用等向强化理论。根据材性 试验结果 ［ 8 ］确定材料的应力 －应变模型， 简化为三折 线模型， 如图4 所示。其中 fy和 fu分别为钢材的屈服 强度和极限强度， 按照 GB 500172003 的规定取值， 弹性模量 E 取2. 06 105MPa， 强化段的弹性模量 Est 对板材和螺栓分别取0. 02E 和0. 1E［ 9 ］。 图 4板材材料应力 － 应变曲线 高强度螺栓的应力 － 应变曲线采用了文献 ［ 10］ 提出的三折线模型， 如图 5 所示。 注 fyb和εy b分别为高强螺栓材料的屈服强度和屈服应变; E 为高强螺栓材料的弹性模量; fu b和ε u b分别为高强螺栓材料的 抗拉强度和断裂应变 即高强螺栓拉断时的伸长率 。 图 5高强螺栓的应力 － 应变曲线 3. 3接触设置 由于梁拼接节点需要考虑两个法兰板之间及 66 工程设计 Steel Construction. 2016 12 ，Vol. 31，No. 216 螺栓与法兰板之间的变形情况， 且结构形式本身 是三维的， 所以需要考虑面 － 面接触。分析时定 义了6 个接触对， 如图6 所示。按照接触对的定义 原则， 将较厚的板定义为目标面， 较薄的板定义为 接触面; 将螺栓孔壁定义为目标面， 将螺栓杆定义 为接触面; 将螺栓头、 螺栓帽定义为目标面， 将螺 栓头、 螺栓帽下的板定义为接触面。每个螺栓有 3 个接触问题 螺栓杆与孔壁、 螺栓头与拼接板、 螺 栓帽与拼接板的接触问题。通过对计算模型的调 试， 在节点模拟中每个不同的接触部位采用的算 法如表 1 所示。 表 1钢梁节点接触对参数设置 编号接触部位接触类型 摩擦系数接触算法 1螺栓头 － 法兰板绑定接触MPC 算法 2螺栓帽 － 法兰板绑定接触MPC 算法 3法兰板 － 法兰板标准接触0. 4Lagrange 4M30 螺栓杆 － 孔壁标准接触0. 2Lagrange 5腹板 － 拼接板标准接触0. 4Lagrange 6M20 螺母 － 拼接板绑定接触MPC 算法 1法兰板与螺栓头之间接触; 2法兰板之间接触; 3孔壁与螺栓杆之间接触。 图 6高强度螺栓接触对设置 3. 4网格精度分析 在节点有限元分析中， 网格划分的精细程度不 同会导致 ANSYS 非线性计算的用时和计算精度不 同， 不同的有限元网格划分如图 7 所示。 为确定一种有效的网格划分精度以达到使用适 合的网格划分精度满足工程需要的计算精度， 进行 了预应力装配式梁 － 梁拼接节点不同网格划分下的 有限元计算对比， 如表 2 所示。最终确定了图 7b 所 示的网格划分作为有限元模型的计算精度。 a网格Ⅰ 粗糙 ;b网格Ⅱ 一般 ; c网格Ⅲ 精细 。 图 7节点网格划分 表 2有限元模型网格精度比较 网格精度单元数结点数计算时间/h 粗糙15 00119 2101． 0 一般19 85626 4101. 4 精细22 93630 0012. 1 4计算结果 有限元分析得到的初始刚度、 承载力与试验结 果 ［8 ］的比较， 如表 3 所示。 表 3有限元分析与试验结果的比较 方法 初始刚度/ kN m rad －1 极限弯矩/ kN m 塑性转角/ rad 有限元5 537. 5363. 260. 136 试验6 312. 9398. 310. 112 从表 3 可看出， 初始刚度的有限元结果为 5 537. 5 kN m/rad， 与试验相差 11. 6， 而极限弯矩 误差为 8. 8， 均在误差范围内。但塑性转角误差 达 17. 6， 高于允许误差值 15 。由于节点构造 并非对称， 且模拟法兰板之间的开合过程较为困难， 导致有限元模型与试验结果有一定的偏差。 在最不利荷载组合工况下， 连接法兰板的高强 度螺栓应力分布如图 8a 所示， 位于螺栓头和螺栓杆 相交部位的单元变形严重， 体现了螺母逐渐脱离螺 杆的过程， 最大应力达 1 134 MPa。图 8b 为梁腹板 处高强度螺栓应力， 最大应力可达到 66. 27 MPa， 出 现在左侧螺母附近。拼接节点在极限荷载作用下的 两个法兰板应力分布如图 8c、 图 8d 所示， 可以看 出， 在往复荷载作用下， 螺栓孔周围出现应力集中现 象， 高应力区域集中在螺栓孔下部， 主要原因在于节 点失效时正承受竖直向上荷载作用。在此荷载状态 下， 右侧法兰板外侧的应力从螺栓孔周围迅速发展， 达到最大值 414. 94 MPa， 如图 8d 所示。由于螺母 76 焦燏烽， 等 预应力装配式梁 － 梁拼接节点受力性能研究 钢结构2016 年第 12 期第 31 卷总第 216 期 与右侧法兰板的紧密接触， 随着荷载的增加， 高强度 螺栓连接由摩擦型转为承压型连接。对比左右两侧 的法兰板， 发现其应力分布有较大的不同， 右侧法兰 板处于高应力状态。 a法兰板处高强度螺栓; b腹板处高强度螺栓; c左侧法兰板接触面; d右侧法兰板接触面。 图 8节点组成部件应力分布 MPa 5结论 1 往复荷载作用下， 由于节点构造并非对称， 且模拟法兰板之间的开合过程较为困难， 导致有限 元模型与试验结果有一定的偏差， 但得到的法兰板 及高强螺栓应力分布特征可作为后续研究的基础。 2 节点在极限荷载作用下， 螺栓孔周围出现了 明显的应力集中现象， 高强度螺栓由摩擦型转为承 压型， 在工程应用中应予以正确判断。 3 螺栓在节点极限承载力作用下， 基本处于弹 性阶段， 现有计算方法对螺栓的设计是安全可行的。 参考文献 ［ 1］张爱林． 工业化装配式高层钢结构体系创新、 标准规范编制及 产业化关键问题［ J］ ． 工业建筑， 2014， 44 8 1 －14． ［ 2］ANSI/AISC 341 － 10． Seismic Provisions for Structural Steel Buildings［S］． Chicago IL American Institute of Steel Construc- tion， 2010． ［ 3］王伟， 陈以一， 余亚超， 等． 分层装配式支撑钢结构工业化建筑 体系［J］． 建筑结构， 2012， 42 10 48 －52． ［ 4］周青， 王伟， 陈以一， 等． 分层装配式支撑钢结构工业化建筑体 系抗震性能试验研究［J］． 建筑结构， 2012， 42 10 62 －64． ［ 5］刘晋浩， 王伟， 陈以一， 等． 分层装配式支撑钢结构梁贯通式节 点研制与性能试验［J］． 建筑结构， 2012， 42 10 53 －56． ［ 6］GB 500172003钢结构设计规范［S］． ［ 7］王新敏． ANSYS 工程结构数值分析［M］． 北京人民交通出 版社， 2007． ［ 8］何敏娟， 焦燏烽， 马人乐． 钢梁栓 － 焊混合连接节点性能试验 ［J］． 同济大学学报， 2013， 41 12 1787 －1792． ［ 9］郭兵． 钢框架梁柱端板连接在循环荷载作用下的破坏机理及 抗震设计对策［D］． 西安 西安建筑科技大学， 2002． ［ 10］ Sherbourne A N， Bahaari M B． 3D Simulation of End- Plate Bolted Connections［J］． Journal of Structural Engineering，1994，120 11  3122 －3126． 上接第 46 页 ［ 3］冉江华． FＲP － 钢复合管约束混凝土短柱轴压力学性能［D］． 大连 大连理工大学， 2014． ［ 4］魏洋， 李国芬， 端茂军， 等． 矩形 FＲP － 钢复合管混凝土短柱的 轴压试验研究［J］ ． 玻璃钢/复合材料， 2014 12 47 －51． ［ 5］李斌． FＲP 管 － 混凝土 － 钢管组合结构拱桥的研究应用［D］． 武汉 华中科技大学， 2012． ［ 6］祝露， 刘伟庆， 王俊， 等． 复合材料管 － 钢管约束混凝土组合柱 的轴压性能［J］ ． 南京工业大学学报 自然科学版， 2011， 33 5 90 －93． ［ 7］谢启芳， 郑培君， 薛建阳， 等． FＲP 管混凝土组合柱的研究现状 与展望［J］． 四川建筑科学研究， 2012， 38 3 24 －29． ［ 8］任慧韬， 郭星． FＲP 管 － 混凝土 － 钢管组合柱轴压性能分析 ［J］． 低温建筑技术， 2015， 37 9 88 －90． ［ 9］刘玉雷． GFＲP 管 － 混凝土 － 钢管混凝土组合柱轴压性能试 验研究［D］． 大连 大连理工大学， 2014． ［ 10］ 王代， 段向攀， 王勇智． FＲP － 混凝土 － 钢管组合方柱轴心抗 压试验研究［J］． 混凝土与水泥制品， 2013 10 39 －42． 86 工程设计