具有特殊功能的钢结构节点的力学性能

doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2023.03.010

具有特殊功能的钢结构节点的力学性能

李晓东^,, 弓耀云, 马顺利, 陈恩亮, 张振永

兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州 730050

Mechanical properties of steel structure joints with special functions

LI Xiao-dong^,, GONG Yao-yun, MA Shun-li, CHEN En-liang, ZHANG Zhen-yong

College of Civil Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China

收稿日期: 2022-03-5

基金资助:

国家自然科学基金资助项目（51968043）

Received: 2022-03-5

Fund supported:

国家自然科学基金资助项目（51968043）

作者简介 About authors

李晓东（1973—），男，副教授，博士，从事钢结构相关研究.orcid.org/0000-0002-9031-3523.E-mail：xdli@lut.edu.cn , E-mail：xdli@lut.edu.cn

摘要

为了使钢框架结构在倒塌时具有方向性并延缓倒塌时间，提出具有方向性、耗能性、延时性的新型钢框架节点. 对新型节点试件进行拟静力试验，研究节点的破坏形态、滞回性能、刚度退化曲线、骨架曲线及延性性能，探讨材料屈服强度、摩擦系数和削弱深度对新型节点的影响. 运用有限元分析软件Abaqus对新型节点的循环往复位移加载过程进行准确模拟，进一步分析节点的力学性能，预测构件被首先破坏的部位. 结果表明：新型节点试件的破坏形态基本一致，均为低屈服点翼缘板先发生屈服破坏；设置低屈服点翼缘板和在试件表面涂抹摩擦材料可以增加结构的耗能能力，低屈服点翼缘板的屈服强度和摩擦系数越大，耗能能力越好；节点的延性性能随着腹板削弱深度和摩擦系数的增加而增加，屈服点越低，延性越大.

关键词： 钢结构节点 ; 方向性 ; 耗能性 ; 延时性 ; 力学性能

Abstract

A new type of steel frame joint with directivity, energy dissipation and time delay was proposed in order to make the steel frame structure directional when collapsing and delay the collapse time. Pseudo-static tests were carried out on the new type of joints. The failure modes, hysteretic behavior, stiffness degradation curves, skeleton curves and ductility properties of the joints were studied. The effects of material yield strength, friction coefficient and weakening depth on the new type of joints were discussed. The Abaqus finite element analysis software was used to accurately simulate the cyclic displacement loading process of the new joint, and further analyze the mechanical properties of the joint, and predict the first failure position of the component. Results showed that the failure modes of the new joint specimens were essentially identical. The flange plate with the low yield point was the first to produce a yield failure, the energy dissipation capacity of the structure was increased by selecting the flange plate with the low yield point and smearing friction materials on the surface of the specimen, and the higher the yield strength and friction coefficient of the flange plate with the low yield point, the better would be the energy dissipation capacity. Further, the ductility of the joints increased as the web weakening depth and friction coefficient increased, the lower the yield point, the greater would be the ductility.

Keywords： steel structure joint ; directivity ; energy dissipation ; time delay ; mechanical properties

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本文引用格式

李晓东, 弓耀云, 马顺利, 陈恩亮, 张振永. 具有特殊功能的钢结构节点的力学性能. 浙江大学学报(工学版)[J], 2023, 57(3): 522-529 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2023.03.010

LI Xiao-dong, GONG Yao-yun, MA Shun-li, CHEN En-liang, ZHANG Zhen-yong. Mechanical properties of steel structure joints with special functions. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2023, 57(3): 522-529 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2023.03.010

钢结构具有强度高、抗震性能好的特点，在全世界有广泛应用，合理的节点设计和较高的承载能力是新型钢结构节点得以推广的重要因素. 丁克伟等^[1]通过对新型装配式半刚性节点进行低周反复荷载试验研究发现，新型节点满足“强柱弱梁”的设计要求，耗能性能优异. 康子恒等^[2]对T型钢连接的半刚性梁柱节点进行静力试验研究，得到其弯矩-转角曲线模型. 谭平等^[3]研究新型装配式隔震节点的各项力学性能，发现此类新型节点能够应用于装配式隔震结构. 夏永强等^[4]在研究T型钢连接节点的变形特征和确定其初始刚度时发现，节点的初始转动刚度主要与T型钢翼缘上螺栓位置，T型钢连接件的翼缘厚度和梁的高度有关. 韩冬等^[5]对剖分Ｔ型钢梁柱连接模型进行拟静力试验表明：钢框架角柱节点的空间效应明显，应考虑空间影响因素，且不能忽略弱轴对强轴的影响. 刘希月等^[6]对高强钢框架梁柱节点在强震作用下进行低周疲劳往复加载试验，结果表明：节点断裂性能良好，破坏前能够承受较大的塑性变形. Tagawa等^[7]在研究屈曲约束圆钢筋阻尼器在螺栓连接梁柱节点中的应用时发现，节点的滞回性能够在很大程度上受阻尼器配置的影响，例如长度、直径和位置. Zhang等^[8]在研究震后可快速恢复功能的装配式中柱节点时发现，合理设计的装配式中柱节点满足震后可以快速修复的要求. Liu等^[9]在研究钢框架结构梁柱节点在往复荷载作用下的损伤性能时发现，加载跨幅对节点性能的影响较小，突发性强峰值对节点所造成的损伤最大.

建筑结构在火灾、爆炸、地震等极端荷载下可能会由于局部某个构件的破坏引起结构的连续倒塌. 杜柯等^[10]通过拟静力加载试验研究RC空间框架结构在拆除中柱工况下的连续倒塌破坏过程，结果表明：楼板提高了悬链线机制和梁机制的抗连续倒塌能力. 孟宝等^[11]以钢框架中的3种不同连接节点形式为研究对象，对中柱施加静力荷载的大变形试验来研究梁柱子结构在中柱失效下的破坏模式、力学形态和抗倒塌机理，结果表明：梁柱节点刚度对结构的抗倒塌性能影响较大. 张惊宙等^[12]对2个带楼板的钢框架结构进行静力和动力移除边柱试验，结果表明：边缘边柱和角柱同时失效对结构的不利影响最大. 孙昕等^[13]对组合梁-方钢管柱刚接节点进行静力加载试验，研究失效柱处节点与相邻柱处节点的破坏模式、受力性能发现，压拱效应在提高了中柱节点子结构受弯阶段的竖向承载力同时推迟了悬链线效应的发展. 谭政等^[14]通过拟静力加载试验研究了多层组合框架在中柱移除状态下的承载力、破坏模式和变形能力. Ciman等^[15]在OpenSees中对框架进行非线性静力分析，模拟柱失效情况，研究结构的荷载再分配情况. Karimian等^[16]在研究钢框架结构中梁柱连接的力学和几何特性对连续倒塌的影响时发现，采用低屈服强度钢板，可以改善钢框架抗连续倒塌的性能.

本研究提出具有良好方向性、耗能性、延时性的新型装配式节点. 对所提新型节点进行低周循环往复加载试验，分析其破坏状态、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线和延性性能. 运用有限元分析软件Abaqus进行数值模拟，深入探究节点在低周循环往复加载中的破坏过程和力学性能，为节点的设计和优化提供理论依据.

1. 新型节点试验概况

1.1. 节点设计

新型节点在型钢梁段设置转动耗能构件，在型钢柱上设置横向和斜向加劲肋，加强节点域刚度，使塑性铰外移. 转动耗能构件包括单连接板、双连接筒、摩擦片、转动螺栓、连接螺栓、低屈服点翼缘板和腹板削弱槽. 单连接板和双连接筒均与型钢梁焊接连接，单连接板、双连接筒和摩擦片通过4个连接螺栓连接，摩擦片置于双连接筒内，单连接板、双连接筒和摩擦片接触面均涂抹摩擦材料. 摩擦材料为高硬性乙烯基MQ硅树脂材料，具有较好的成膜性和黏附性，适用于建筑结构. 当发生小震及中震时，转动耗能构件处在弹性范围，可将新型节点视为刚性连接. 新型节点的剪力由型钢梁的腹板和连接螺栓承担. 当发生大震时，结构层间出现侧移，低屈服点钢材先发生破坏，连接螺栓发生剪切破坏，之后型钢梁上的单连接板和双连接筒通过转动螺栓进行转动摩擦耗能直至破坏. 改进后的新型节点在构造上进行简化，通过削弱部分即转动耗能构件耗能，实现节点较好的耗能能力，使得节点的破坏首先发生在低屈服点翼缘板和腹板削弱处，达到保护节点焊缝避免发生脆性破坏、预测结构倒塌方向和延缓倒塌时间的设计目标，增加灾后人员生存率，为救援提供指导.

1.2. 试件参数设计

试件梁柱均采用焊接H型钢，截面均为H350 mm×250 mm×9 mm×14 mm，柱高1 500 mm，梁长1 400 mm，低屈服点钢材使用LY100、LY160、LY225，其余均为Q235钢，转动耗能构件中心处旋转螺栓使用10.9级M36高强螺栓连接，起到受力旋转的作用，围绕中心螺栓在四周开4个直径为20 mm的孔，用来连接摩擦片和连接板、限制地震作用下梁和柱的相对转角. 连接螺栓使用8.8级M20高强螺栓. 试验通过对比分析低屈服点钢材、腹板削弱深度c和摩擦系数ƒ对节点力学性能的影响. 试件参数如表1所示，节点构造详图如图1所示.

表 1 钢结构节点试件参数

Tab.1 Steel structure joints specimen parameters

试件编号	低屈服点翼缘板	c/mm	ƒ
T1	LY100	10	0.25
T2	LY160	10	0.25
T3	LY225	10	0.25
T4	LY160	15	0.25
T5	LY160	20	0.25
T6	LY160	10	0.35
T7	LY160	10	0.45
T8	—	0	0

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图 1

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图 1 新型节点构造详图

Fig.1 Novel joint structure detail

1.3. 试验方法

新型节点试验采用T形结构试件，拟静力加载方式，加载装置为100 t作动器为型钢梁自由端提供动力，在柱端放置液压千斤顶提供轴向压力. 试验装置如图2所示，试验现场如图3所示. 试验加载使用位移加载，经Abaqus模拟确定屈服位移约为13.5 mm，屈服位移前分为4、8 mm，每级循环2次，屈服位移后分为14、20、30、40、50、60 mm，每级循环3次. 加载制度如图4所示. 图中，Δ为加载点的位移，t为加载时间. 试验结束条件：1）构件破坏，包括构件出现变形较大、焊缝开裂、螺栓断裂、低屈服点翼缘板屈服等现象；2）达到作动器的最大位移.

图 2

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图 2 新型节点拟静力试验加载装置示意图

Fig.2 Test loading device diagram of novel joint under pseudo-static loading

图 3

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图 3 新型节点拟静力试验现场图

Fig.3 Field test chart of novel joints under pseudo-static test

图 4

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图 4 新型节点加载制度

Fig.4 Specimen loading system of novel joints

1.4. 试验结果与分析

1.4.1. 节点破坏特征

T8普通梁柱焊接节点在梁柱焊缝处受力较大，焊缝出现脆性断裂现象. 此外，所有新型节点试件在试验加载过程中的变化基本一致，试验初期未观察到破坏现象，随着荷载不断增加，靠近低屈服点翼缘板一侧转动耗能构件处的腹板有微小屈服，之后低屈服点翼缘板屈服. 其他条件不变，改变低屈服点翼缘板的屈服强度，屈服点越低，屈服形态越明显，部分试件破坏形态如图5所示.

图 5

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图 5 钢结构节点试件的破坏形态

Fig.5 Failure mode of steel structure joints specimen

1.4.2. 滞回曲线

滞回曲线可以综合反映结构的抗震性能，各试件的滞回曲线如图6所示，试件加载点的位移和荷载P由作动器的传感器采集. 可以看出：T1、T2、T3和T2、T6、T7的滞回环面积依次增加，T2、T4、T5的滞回环面积依次减小，说明节点的耗能能力随着低屈服点翼缘板屈服强度和摩擦系数的增加而增加，随着型钢梁腹板削弱深度的增加而减小. 还可以看出，所有新型节点试件的滞回环面积相差不大，滞回曲线较规则、饱满，具有较好的耗能能力.

图 6

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图 6 不同钢结构节点试件的水平往复荷载-位移滞回曲线

Fig.6 Horizontal reciprocating load-displacement hysteresis curves of different steel structure joints specimens

1.4.3. 骨架曲线

如图7所示，骨架曲线是每级循环的荷载-位移曲线上峰值点的包络线，是衡量抗震性能的重要依据，综合反映了模型在反复加载过程中的荷载-变形关系^[17]. 由图7（a）可以看出，新型节点相较于普通刚性节点的极限承载力小，原因是新型节点为半刚性节点，随着位移加大，新型节点会通过转动螺栓进行转动摩擦耗能. 由图7还可以看出，新型节点试件的骨架曲线基本相同，可以分为弹性阶段，滑移阶段和塑性阶段，均表现出较好的塑性变形能力. 所有试件均没有下降段，主要原因是低屈服点翼缘板出现较大的屈服变形，节点无法继续承载，试验停止，新型节点在位移为8 mm时进入塑性阶段，对应的荷载为7 kN；加载到位移为60 mm时进入极限状态，极限荷载为84 kN.

图 7

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图 7 不同钢结构节点试件的荷载-位移骨架曲线

Fig.7 Load-displacement skeleton curves of different steel structure joints specimens

1.4.4. 刚度退化曲线

如图8所示，刚度退化是结构抗震计算及结构抗震性能的重要指标^[18]. 这里的刚度指节点的等效刚度，即坐标原点与骨架曲线上的点连接的斜率^[19]，随着加载位移不断增大，等效刚度不断降低，这种现象称为等效刚度退化，简称刚度退化^[17]. 等效刚度系数为等效刚度与最大刚度的比值. 等效刚度由滞回曲线得出. 图中，S为试件的等效刚度. 可以看出，节点试件经历2个阶段的刚度退化：第一阶段为曲线的平直段，节点试件基本处在弹性阶段，无明显刚度退化；随着加载位移和循环次数增大，节点试件进入第二阶段，为曲线的下降段. 改变低屈服点翼缘板的屈服强度对节点试件的刚度退化的影响不明显，改变摩擦系数和腹板削弱深度对节点试件的刚度退化系数影响较大，摩擦系数和腹板削弱深度越大，试件的刚度退化越快.

图 8

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图 8 不同钢结构节点试件的等效刚度退化曲线

Fig.8 Equivalent stiffness degradation curves of different steel structure joints specimens

1.4.5. 延性性能

延性反映结构在非弹性阶段的变形能力，是结构力学性能的重要指标，延性越大，结构的耗能性能越好. 延性的大小可以通过延性系数 $ \;\mu $来表示，计算式为

(1) $ \mu = \frac{{{\varDelta _{\text{f}}}}}{{{\varDelta _{\text{y}}}}} . $

式中： ${{\varDelta }}_{{{\rm{f}}}}$为试件滞回曲线中峰值荷载对应的位移， $ {{\varDelta }}_{{{\rm{y}}}} $为试件屈服荷载对应的位移. 各节点试件延性系数如表2所示. 可以看出，新型节点的延性系数大于普通梁柱刚性节点的延性系数，说明新型节点具有更好的变形能力和耗能性能. 节点的延性系数随着摩擦系数和腹板削弱深度的增加而增加，随着低屈服点翼缘板屈服强度的增加而减小. 为了使节点具有更好的延性性能，可以加强摩擦系数和削弱深度，使用屈服点更低的钢材.

表 2 不同钢结构节点试件的延性系数

Tab.2 Ductility coefficient of different steel structure joints specimens

试件编号	$ {\varDelta _{\text{f}}} $/mm		$ {\varDelta _{\text{y}}} $/mm		$ \mu $
试件编号	正向	负向	正向	负向	正向	负向
T1	59.51	60.52	7.85	6.36	7.58	9.52
T2	60.00	60.02	8.06	6.51	7.44	9.22
T3	60.03	60.00	8.12	6.58	7.39	9.12
T4	59.51	59.52	7.96	6.32	7.48	9.42
T5	59.21	59.82	7.66	6.31	7.73	9.48
T6	61.00	60.99	8.10	6.59	7.53	9.25
T7	60.94	60.91	8.05	6.51	7.57	9.36
T8	40.02	40.01	7.97	7.99	5.02	5.00

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2. 新型节点有限元模拟及其结果分析

2.1. 有限元模型概况

有限元分析是基于结构力学分析迅速发展起来的现代化计算方法，在工程领域应用非常广泛. 运用Abaqus对新型节点进行数值模拟，分析节点在低周反复荷载下的破坏过程和力学性能，如图9所示. 材料的弹性模量为206 GPa，密度为7 850 kg/m³，泊松比为0.3. 其中接触面采用“表面与表面接触”，接触作用属性为“切向行为摩擦系数”、“法向行为硬接触”，摩擦系数分别设置为0.25、0.35、0.45. 其余接触面均采用“绑定约束”. 模型采用“C3D8R单元”划分网格，对螺栓、螺栓孔、摩擦片、连接板等重点研究部位进行局部网格细化，模型的网格划分如图10所示.

图 9

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图 9 节点的有限元模型

Fig.9 Finite element model of novel joint

图 10

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图 10 节点的网格划分

Fig.10 Novel joint mesh generation

2.2. 模型计算结果分析

2.2.1. 节点应力演化分析

在有限元计算中未考虑材料损伤，并且在试验中构件出现较大屈服试验就停止，因此结果中未出现焊缝断裂破坏，但模型准确地模拟了结构屈服破坏的位置和变形形态.

2.2.2. 滞回曲线分析

由于未考虑节点初始缺陷、焊接残余变形、焊接热等因素，有限元计算曲线与试验曲线有区别；由于加工误差、试验现场的局限性和现场装配等原因，导致试验滞回曲线存在滑移现象，但总体上新型节点的滞回曲线较饱满，具有良好的耗能能力.

2.2.3. 延性性能分析

由于试验误差，有限元计算的延性系数与试验延性系数有区别，但趋势一致，有限元结果与试验结果的延性系数均随着低屈服点翼缘板屈服强度的增加而减小，随着摩擦系数和腹板削弱深度的增加而增加.

3. 结　论

（1） T8普通梁柱焊接节点在焊缝处出现脆性断裂现象，其他新型节点试件在靠近低屈服点翼缘板一侧转动耗能区的腹板有微小屈服，之后低屈服点翼缘板屈服. 新型节点可以实现塑性铰外移，起保护节点的作用. 布置低屈服点翼缘板可以预测节点首先破坏的位置，使钢框架在遇到无法预测的极端荷载发生倒塌时，倒塌方向可预测. 与普通梁柱节点相比，新型节点在不可预期的灾害中，具有良好的耗能能力和延时性，可以延缓倒塌时间，对灾后救援行动的开展具有指导意义.

（2）新型节点的滞回曲线饱满，耗能性能好，耗能能力随着腹板削弱深度的增加而减小，随着低屈服点翼缘板屈服强度和摩擦系数的增加而增加，可以通过减少腹板削弱深度和增加摩擦数来增强节点的耗能能力. 节点的延性随着腹板削弱深度和摩擦系数的增加而增加，屈服点越低，延性越大.

（3）试验的局限性、加工误差将在试验结果中导致滑移现象的产生，但是有限元计算在理想条件下进行，因此没有出现滑移现象. 本研究从各自的规律中发现不同参数对新型节点力学性能的影响. 解决试验中的滑移现象须改进边界条件，比如增设侧向支撑来限定侧向位移，提高高强螺栓的预紧力和试件加工精度，避免某些构件在加载过程中出现松动而影响试验结果，还可以采用重型机械加固地脚螺栓，更好地限制节点的垂直位移.

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

丁克伟, 刘建华, 马巍, 等

新型装配式半刚性节点抗震性能试验研究

[J]. 土木工程学报, 2021, 54 (4): 1- 7

DOI:10.15951/j.tmgcxb.2021.04.001 [本文引用: 1]

DING Ke-wei, LIU Jian-hua, MA Wei, et al

Experimental study on seismic performance of a new type of fabricated semi-rigid beam-to-column connection

[J]. China Civil Engineering Journal, 2021, 54 (4): 1- 7

DOI:10.15951/j.tmgcxb.2021.04.001 [本文引用: 1]

[2]

康子恒, 王森林, 杜喜凯, 等

T形钢连接半刚性梁柱节点受力性能研究

[J]. 建筑结构学报, 2020, 41 (Suppl.1): 44- 54

DOI:10.14006/j.jzjgxb.2020.S1.006 [本文引用: 1]

KANG Zi-heng, WANG Sen-lin, DU Xi-kai, et al

Study on mechanical behavior of semi-rigid beam-column joints with T-section connections

[J]. Journal of Building Structures, 2020, 41 (Suppl.1): 44- 54

DOI:10.14006/j.jzjgxb.2020.S1.006 [本文引用: 1]

[3]

谭平, 李洋, 匡珍, 等

装配式隔震结构中隔震节点抗震性能研究

[J]. 土木工程学报, 2015, 48 (2): 10- 17