模块化装配式钢结构梁柱节点极限承载力分析与抗震性能研究_刘学春徐阿新倪真_等

*

分析与抗震性能研究

刘学春

1，2

徐阿新

1

倪真

1

张爱林

1，2

（1.北京工业大学，北京100124；2.北京市高层和大跨度预应力钢结构工程技术研究中心，北京100124）

摘

要：利用ABAQUS大型有限元结构分析软件对模块化装配式高层钢结构中3种常见的焊接、栓接、

栓焊混合连接节点进行非线性分析，得到3种节点的破坏机理、极限承载力以及单调循环荷载下的耗能能力。“强节点弱构件”；栓接节点在结果表明：焊接节点极限承载力最高，但塑性变形主要集中在节点域，没有实现单调循环荷载作用下接触面容易滑移；栓焊混合节点中两片梁段的刚度不同会导致整个桁架梁段的平面外失稳，进而影响节点的极限承载力，并对3种典型装配式钢结构节点的设计提出一些建议。

关键词：装配式钢结构；梁柱节点；静力分析；拟静力分析DOI：10.13204/j．gyjz201408006

ANALYSISOFTHELIMITBEAＲINGCAPACITYANDSEISMIC

PEＲFOＲMANCEOFTYPICALJOINTOFTＲUSS-BEAMANDCOLUMN

INFABＲICATEDHIGH-ＲISESTEELSTＲUCTUＲE

2

LiuXuechun1，

XuAxin1NiZhen12

ZhangAilin1，

（1.BeijingUniversityofTechnology，Beijing100124，China；2．BeijingEngineeringＲesearchCenterofHigh-ＲiseandLarge-SpanPrestressedSteelStructure，Beijing100124，China）

Abstract：Weldedjoints，boltedjoints，boltedandweldedjointsarethetypicaljointsinfabricatedhigh-risesteelstructure．Thepaperestablishedthreemodelsofthejointsoftruss-beamandcolumnfornonlinearanalysisusingthefiniteelementsoftwareABAQUS，itwasgotthatthefailuremechanism，thelimitbearingcapacityandtheenergydissipationcapacitythatwastheoneinthefunctionofmonotoniccyclicload．Theresultsshowthatthelimitbearingcapacityoftheweldedjointisthehighest，buttheplasticdeformationmainlyappearsinjointregion，soitdissatisfiestheseismicrequest．Theslipoccurseasilyinfrictionalregionsfortheboltedjointinthefunctionofmonotoniccyclicload．Theout-of-planebucklingoftheoveralltruss-beaminboltedandweldedjointoccursduetothedifferentstiffnessofthetwosectionsofthesinglebeam-truss．Sothelimitbearingcapacityofthisjointisthelowest．Itwasproposedthatsomesuggestionsonthedesignofthreetypicaljointsoftruss-beamandcolumninfabricatedhigh-risesteelstructure．

Keywords：fabricatedsteelstructure；truss-beamcolumnjoint；staticanalysis；pseudostaticanalysis

模块化装配式高层钢结构的研究目前在国内尚

处于起步阶段，它具有生产周期短、抗震性能优越、建筑空间布置灵活、有效使用面积大、综合经济效益好、

［1］

舒适度高等优点。在模块化装配式高层钢结构中梁柱节点的设计要充分考虑到施工现场的可装配性，同时又要保证节点的强度、刚度、延性等各向力学性能，加之目前在我国装配式钢结构领域应用较多的梁柱节点形式大多为桁架梁－柱节点，对这种节点的理论分析比较少，所以相对于传统钢结构中的实腹式梁柱节点，模块化装配式高层钢结构中的桁架梁－柱节点的理论分析和模拟十分必要。本文通过对焊接、栓接和栓焊混合连接这三种装配式钢结构中常见的梁

IndustrialConstructionVol.44，No.8，2014

柱节点形式进行静力分析和滞回分析，以研究3种节

点的力学性能以及它们之间的比较。11.1

模型描述几何模型

3种节点的主要组成部分都包括箱型柱、柱座

*北京市自然科学基金重点项目（1321100）；国家自然科学基金51248009）。项目（51278010，

1974年出生，第一作者：刘学春，男，博士，讲师。电子信箱：liuxuechun@bjut．edu．cn收稿日期：2014－04－10

工业建筑2014年第44卷第8期

23

及桁架梁段，箱型柱法兰与柱座法兰通过M24高强

表1

Table1

箱型柱

截面尺寸

200×200×10

法兰板厚18

截面尺寸200×200×10

螺栓连接。这三部分的基本尺寸见表1。

柱座、桁架梁段基本尺寸箱型柱、

mm

桁架梁

法兰板厚

18

弦杆截面2┗75×8

腹杆截面2┗45×6

柱座

Basicdimensionsofboxcolumn，columnbaseandtrussbeam

焊接节点柱座和桁架梁全部为工厂焊接连接，在结构整体与装配前，焊接节点是拼接板块成型的重要部分。此次模拟的焊接节点具体构造如图1所示。

a—立面；b—平面

1—2┗75×8；2—2┗45×6；3—C10；4—－2×210×12

图3

a—立面；b—平面

1—桁架梁；2—柱座；3—2┗75×8；4—C10；5—2┗45×6；

6—－2×210×12图1

Fig．1

焊接节点构造Thestructureofweldedjoint

Fig．3

栓焊混合连接节点构造Thestructureofweldedandboltedjoint

1.2有限元模型

采用大型通用有限元软件ABAQUS对3种节点进行静力分析和滞回性能分析。3种节点的单元类型都为实体单元，具体的网格划分根据每种节点各自的特点，采用不同的划分方式（如图4）。其中，未对高强螺栓建模，而是采用等效力法

［2］

栓接节点的上、下部分采用T形盖板与桁架

梁连接，桁架梁相当于实腹梁的腹板部分采用贴板连接，且3种构件全部采用S10.9级高强螺栓连接，其中弦杆与盖板连接处为M24，贴板连接处为M20。采用栓接节点可以实现施工时的板块装配，具体构造如图2所示。

，将高强

螺栓预紧力等效成压强荷载施加于接触板件的有效

面上，在接触面上定义摩擦接触，摩擦系数取为0.35。在加载点处，建立刚体垫块和刚体传力构件用以施加和传递竖向荷载。在上柱、下柱的端部施

［3－4］

。加固定支座的边界条件

a—焊接；b—栓接；c—栓焊混合

a—立面；b—平面

1—2┗75×8；2—C10；3—2┗45×6；4—－2×210×12；

5—－2×140×12；6—－150×145×8

图2Fig．2

栓接节点构造Thestructureofboltedjoint

图4Fig．4

焊接、栓接、混合节点的有限元模型Theelementmodelsofthethreejoints

1.3材料模型

3种节点的钢材型号均为Q235B，弹性模量取

5

为2.1036×10MPa，泊松比取为0.28，密度取为7.8×103kg/m3。应力－应变关系如图5所示，计Mises屈服准则及相关流动法则。因算中采用von-为并没有建立高强螺栓的模型，而是采用等效力法，

工业建筑2014年第44卷第8期

在大板拼接时，栓焊混合节点是由栓接的单角钢桁架梁与焊接的单角钢桁架梁拼接形成的，梁端竖向连接板处的高强螺栓为M20，具体构造见图3。24

故不用考虑高强螺栓的材料问题。22.1

分析结果静力分析

静力分析主要有以下两个方面：

1）3种桁架梁－柱节点的传力路径和破坏

机理。

2）3种节点在破坏时的应力分布和极限承载力。

图5

Fig．5

真实应力－应变关系Theconstitutiverelationsofmaterials

不考虑初始缺陷，在3种节点的加载点处施加竖向荷载，得到3种节点的应力云图，如图6所示。

a—焊接；b—栓接；c—栓焊混合图6Fig．6

焊接、栓接、混合节点的应力云图

MPa

Thestressnephogramofthethreejoints

通过静力加载后的应力云图可以看出，对于

桁架梁－柱节点，由于没有实腹式梁－柱节点中3种节点的桁受剪力的腹板，所以在加载过程中，架梁上、下弦杆在靠近节点的端部应力值增长较快，最先达到屈服应力。整个桁架梁弦杆从加载点处到节点处应力值逐渐增大，靠近节点的腹杆应力值要高于另外1根腹杆的应力值，在弦杆端部屈服后，靠近节点的腹杆上端随后出现屈服，此时3种节点加载点处的竖向位移明显增大，可视为整个节点达到屈服极限。

但是，焊接节点由于桁架梁端与柱座为纯焊接，桁架梁的整体刚度明显要大于栓接节点和栓焊混合连接节点，荷载能够更好地向柱座传递，导致柱座的部分区域出现屈服，桁架梁本身的弯曲变形并不明显，节点由桁架梁弦杆和柱座相连处共同承力，节点域受力较均匀，但并不满足“强柱弱梁”的抗震要求。

栓接节点在盖板与桁架梁弦杆相连处形成了一个较好的耗能区，在这一区域内荷载通过摩擦传递到上、下盖板，但无论是上、下盖板还是柱座，相较于桁架梁应力值都不大，而且桁架梁弦杆在靠近节点端部以及竖向贴板处有明显的变形，这种连接方式使得桁架梁的应力值明显高于节点域

的应力值，有力地保护了节点域。

栓焊混合连接节点的传力路径和破坏机理与

栓接节点相似，但是栓焊混合连接节点桁架梁在加载点一端有一定程度的平面外扭转，如图7所示，这是因为桁架梁一半与柱座焊接，一半与柱座通过盖板栓接，两片桁架梁的刚度不同以及传力不均匀的缘故。

图7Fig．7

栓焊混合节点桁架梁的扭转

Therotationoftheweldedandboltedjoint

3种节点在整体屈服时梁端通过图8可以看出，

加载点处的竖向位移相近，都为20mm左右，但3种节点的屈服荷载和极限荷载明显不同，这是因为焊接节点的节点刚度最高，故其承载能力最强，而栓焊混合连接节点产生了平面外的扭转，也即发生了平面外失稳，这导致其承载能力不高，并且降低很快。2.2

拟静力分析

在原有有限元模型的基础上，对模型施加循环

25

——刘学春，等模块化装配式钢结构梁柱节点极限承载力分析与抗震性能研究—

往复荷载，根据静力加载过程，对于焊接节点取屈服荷载为260kN，对于栓接节点取屈服荷载为220kN，对于栓焊混合连接节点屈服荷载取为180kN。在每种节点的屈服荷载前按照力控制加载，每级加载20kN，屈服以后按照位移控制，每级取屈服位移值10mm加载，得到3种节点的P－Δ曲

··栓焊混合连接节点焊接节点；－－栓接节点；·

图8Fig．8

节点加载点处荷载－位移曲线Curvesofloadanddisplacement

线和骨架曲线，如图9、图10所示。

由图9、图10可见，焊接节点和栓焊混合连接节点的滞回曲线比较饱满，呈梭形，说明这两种节

a—焊接节点；b—栓接节点；c—栓焊混合连接节点

图9

Fig．9

3种节点的P－Δ曲线

Loadversusdisplacementcurvesofthethreejoints

a—焊接节点；b—栓接节点；c—栓焊混合连接

图10

Fig．10

3种节点的骨架曲线

Loadversusdisplacementenvelopecurvesofthethreejoints

具有良好的抗震性能和耗点的塑性变形能力很强，

能性能，且在达到屈服荷载以后，两种节点出现明显的刚度退化。整个加载过程中并未出现焊缝开裂和高强螺栓接触面滑移。栓接节点在位移控制加载到50mm时，节点出现破坏，主要是贴板接触面出现较大滑移，导致桁架梁变形过大，如图11所示。这说明栓接节点的抗震性能和耗能能力比焊接节点、栓焊混合连接节点有明显降低。因此贴板处的高强螺栓数量和型号应该加强。

结合3种节点的滞回曲线，按照公式u=Xu/Xy（Xu为构件破坏时的加载点位移；Xy为构件屈服时的加载点位移）计算焊接节点的延性系数为26

图11

Fig．11

栓接节点拟静力破坏

Thepseudostaticdamageweldedandboltedjoint

uh=7，栓接节点延性系数us=5，栓焊混合连接节点延性系数ush=7。表明3种节点的延性性能均比较强

［5］

。

（下转第60页）

工业建筑2014年第44卷第8期

PPD效果也比较理想，能够满足人们居住需求。从以上分析可得，该双层空气循环系统的3个组成部件在功能上具有高的耦合性：空气缓冲层为内空气层和外空气层提供空气源，出风口温度越低、速度越大则越利于内空气层；外空气层利用缓冲层的空气动态地隔绝室内外热量，速度越大、外墙温度越低越利于内空气层；内空气层则直接影响室内热环境质量。该系统能够充分利用自然资源实时更新室内空气，给室内提供一个较为舒适的热环境；相对耗能上远远低于普通空调，且让使用者远离“空调

“绿色健康”。病”的困扰，更加4

结语

1）空气缓冲层的专门设计能够使室外空气进入缓冲层后，进行充分的热交换，为内外空气层提供

境中为居住者提供舒适的热环境，达到节能环保的

目的。

参考文献

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［9］孙胜，李杰林．室内空气品质的数值模拟及评价［J］．环境科学

2007，32（11）：66－69．与管理，

较好的空气来源。

2）外空气循环层利用烟囱效应带动夹层内空气的流动，吸收外墙的热量；同时可以避免墙体受到太阳的辐射而升温，起到阻碍室外热量内传的作用。

3）该双层空气循环系统各个部件在功能上协调、统一性较好，能够以较低的能耗保证在炎热的环（上接第26页）

3种节点在屈服后节通过骨架曲线可以看出，点刚度退化比较快，延性发展比较好。3种节点的主要综合静力和拟静力分析结果，性能参数见表2。

表2

Table2

节点承载力及延性系数ductilitycoefficient

节点类别焊接节点栓接节点栓焊节点

屈服荷载/

kN

260220180

极限荷载/

kN

330280180

屈服位移/

mm

101010

延性系数

757

载中开缝较大，耗能能力受到很大影响。可以在实际设计中适当增加贴板厚度，对接触面采用喷砂处理。

3）栓焊节点虽然极限承载力最低（这是因为梁产生平面外扭转的缘故），但其延性耗能能力较强。在实际设计中可以加强栓接梁与柱座的连接，如加大螺栓型号、个数，增大栓接部分桁架梁弦杆的厚度等。

参考文献

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Parametersforbearingcapacityand

3

结论

1）焊接节点极限承载力最高，节点的延性能力

，较好，但不能实现“强柱弱梁”塑性变形集中在桁

架梁端，未能实现塑性铰外移。

2）栓接节点的贴板连接强度不够，导致滞回加

60

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