装配式Z形钢结构梁柱连接节点力学性能研究
张泽宇1,3 曾立静1,3 王月栋1,3 侯兆新1,3 刘学春2 张爱林2 李伟男4
1.中冶建筑研究总院有限公司
2.北京工业大学,北京市高层和大跨度预应力钢结构工程技术研究中心
3.国家钢结构工程技术研究中心
4.中国京冶工程技术有限公司钢结构公司
张泽宇,曾立静,王月栋,等.装配式Z形钢结构梁柱连接节点力学性能研究[J].工业建筑,2024,54(8):62-69.
摘 要
对装配式Z形钢结构梁柱连接节点进行了单调和往复循环加载试验及有限元分析，以研究其力学性能。对不同连接强度设计下的Z形节点，分别进行了转动刚度、破坏模式、承载能力、滞回性能、耗能能力和刚度退化等研究。结果表明：装配式Z形钢结构梁柱连接节点具有良好的延性且能够做到塑性铰外移。节点连接强度可显著影响其滞回性能和塑性抗弯能力；较低的强度设计系数(0.2~0.9)使节点破坏模式为螺栓率先发生破坏，其滑移失效承载力和极限承载力与强度设计系数基本呈线性正相关，且节点转动性能表现为半刚性；节点强度设计系数较高时(0.9~1.3)，其滑移失效承载力和极限承载力基本保持不变，节点破坏模式转变为构件率先发生破坏，节点抗弯性能表现为刚性连接。此外，该节点构造形式下所需螺栓数量少，安装高效且经济性强，具有一定的工程应用价值。
引 言
在以往的地震灾害中(如1994年美国北岭地震[1]、1995年日本阪神地震[2]和2011年新西兰克赖斯特彻奇市地震[3-4])，梁柱连接节点出现了大量的脆性破坏。因此，在国家“双碳”战略和《“十四五”建筑业发展规划》大力推广的装配式钢结构建筑背景下，装配式梁柱连接节点力学性能研究成为学者们关注的重点内容[5]。
目前，工程中应用较多的装配式钢结构梁柱连接节点如图1所示，柱内在梁翼缘位置设加劲内隔板，钢柱与悬臂梁段在工厂完成焊接，悬臂梁段与梁在现场进行装配。文献[6-7]研究表明该节点呈半刚性，在强震下通过螺栓摩擦面滑移耗能，可避免梁柱连接节点域处的脆性破坏。叶继红等[8]和Nguyen等[9]采用三维多弹簧单元模拟此类半刚性梁柱连接节点，能够较准确地预测3D钢框架的非线性结构响应。夏军武等[10]通过对带填充墙的悬臂梁拼接钢框架进行抗震性能研究，得出该节点形式具有良好的承载能力和位移延性。Zhang等[11-12]针对圆钢管柱对该节点形式进行调整，研究表明该节点形式具有较好的震后可修复性，其中部螺栓间距对节点的屈服承载力和极限承载力影响显著。Lin等[13]基于该节点形式，提出了将连接部位钢材替换为低碳钢形成结构的保险丝，通过发生集中耗能和损伤来保护主体结构。以上装配式钢结构梁柱连接节点常用的连接形式分为栓焊连接(图1(a))和全螺栓连接(图1(b))。栓焊连接节点其翼缘为对接熔透焊缝连接，腹板为高强螺栓连接，现场施焊多为高空作业，焊缝检测难度高，施工质量相对不易控制，且焊接作业量大会显著影响施工进度。全螺栓连接节点其翼缘与腹板均采用高强螺栓连接，装配化程度高，但因该连接节点的螺栓数量相对较多，且需要较多的连接辅助材料(如连接板)。针对这些不足，文献[14-15]中提出了装配式Z形钢结构梁柱连接节点构造形式，其不等长的梁上下翼缘一方面可以减少螺栓数量，增加结构经济性，另一方面可以方便装配，加快施工进度。
图1 传统形式的梁柱连接节点
针对装配式Z形钢结构梁柱连接节点，通过试验研究和有限元分析对其包括转动刚度、破坏模式、承载能力、滞回性能、耗能能力和刚度退化等力学性能进行研究。同时，探讨了该节点连接强度设计系数与节点力学性能的关系，为进一步实现装配式Z形钢结构梁柱连接节点的标准化和刚度可调打下基础。
试验研究
1.1 试件设计
设计如图2所示的Z形钢结构梁柱连接节点试件，试件的柱采用方钢管截面，尺寸h×b×t为300 mm×300 mm×16 mm，梁采用工字形截面，尺寸h×b×tf×tw为300 mm×200 mm×12 mm×8 mm。梁与柱通过悬臂梁段相连，悬臂梁段的上下翼缘板厚16 mm，腹板厚8 mm，其与柱在工厂完成全截面焊接，与梁采用全螺栓连接，可实现现场装配。试件均采用Q345B钢材，梁与柱连接所用螺栓均为为10.9级M22摩擦型高强螺栓。按照JGJ 82—2011《钢结构高强度螺栓连接技术规程》的规定，对高强螺栓施加190 kN的预紧力。通过被连接件(即梁)与节点的等强设计来确定螺栓数量，即上下翼缘螺栓数量均为4个，腹板为6个。
图2 Z形钢结构梁柱连接节点构造示意
1.2 试验方案
试件加载布置如图3所示。采用柱卧式，将柱平行向固定于反力架上，并在柱两端施加一定的轴压力将柱固定，防止其滑移，采用平面外约束装置避免梁发生平面外变形。采用液压伺服系统在梁端施加水平荷载，为使梁加载端自由转动，在液压伺服器与加载端间布置可平面内自由转动铰，梁端加载点距柱中心距离为1420 mm。试件编号为LB-1和LB-2，对其分别进行单向加载推覆试验与低周往复加载滞回试验。1)单向加载模式：采用力加载，加载梯度如图4(a)所示。2)低周往复加载模式：采用位移控制加载，换算成的加载转角如图4(b)所示。当荷载下降到峰值荷载的85%以下或出现明显破坏不能继续加载时即停止试验。
图3 试验布置
图4 试验加载模式
图5给出了试件的位移计和应变片布置方案。为获得试件转角，在试件梁端加载点处布置位移计W-1。位移计W-2和W-3用以监测节点拼接截面处梁上下翼缘的相对滑移；W-4和W-5用以监测加载过程中柱子的倾斜转角。试件局部应变采用应变片测量，其布置区域总共有3个：L侧翼缘(应变片1~9)、R侧翼缘(应变片1~12)、腹板部位(应变片1~12)。
图5 位移计和应变片布置
1.3 试验结果分析
1.3.1 试验现象
试件LB-1和LB-2最终破坏形态相似，如图6所示。可见：试件的上下翼缘板均发生了显著的弯曲塑性变形；由于变形较大，悬臂梁段与梁翼缘搭接区域发生滑移错位，螺栓孔壁被挤压出螺纹，螺栓孔及螺栓出现明显变形。此外，循环加载条件下的试件LB-2表现出了明显的低周疲劳特征，在较大弯矩作用下，高强螺栓与对应接触面发生显著滑移，往复滑移的摩擦痕迹达10 mm以上。在低周往复加载过程中，螺栓受到往复剪切作用而发生塑性变形和断裂。
图6 试验现象
1.3.2 局部塑性发展
图7给出了试件的局部塑性发展结果。从各测点的应变发展趋势可以看出，试件的L、R侧翼缘率先进入塑性阶段，而后腹板开始发展塑性。同时，悬臂梁段与梁连接接头位置为塑性集中发展位置，即图7(a)中L-4~9、图7(b)中R-4~6和10~12、图7(c)中4~5和10应变片的数值随着加载进行会大于屈服应变(2×10-3)，而其余位置处应变片的数值较小，未达到屈服应变。可见，该装配式Z形钢结构梁柱连接节点可有效地得到塑性铰外移的效果，避免了柱在靠近节点域位置的过早破坏。
图7 局部应变发展
数值模拟
2.1 有限元模型
对试验进行了数值模拟分析，有限元模型如图8所示。采用实体单元C3D8R建模，为了更好地描述试件的塑性行为并兼顾计算精度与效率，对试件节点的关键区域进行网格细化处理。试验试件和有限元模型的约束条件保持严格一致，即：在柱顶和柱底均设置刚性垫块，并通过垫块上柱形心参考点设置刚接约束来模拟试验中的柱端固接条件；在梁的两侧设置与试验一致的平面外约束；在梁端设置刚性垫块，并在其垫块中心施加荷载，防止出现应力集中。考虑到各组件之间的相互作用，对其接触面给出切向摩擦系数，分别为：0.35(柱与梁翼缘、梁腹板与连接板的面接触)、0.05(螺栓帽和钢板的面接触)和0.01(螺栓杆和螺栓孔间接触)。所有面接触的法向均为硬接触。由于试验(尤其是在低周往复荷载作用下)中试件易在螺栓连接处发生破坏，故对螺栓进行精细化建模，采用“哑铃”状模型来等效实际高强螺栓的栓杆、栓帽和垫片，该“哑铃”状模型的杆端圆柱截面面积与实际高强螺栓的垫圈面积相等，有助于准确再现试件螺栓连接受力性能和破坏模式。
图8 有限元模型
根据GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》制作材性标准件并进行单轴拉伸试验，取试验结果平均值作为材料属性。表1给出了试件所用钢材和高强螺栓的材料属性结果。考虑到循环加载过程中钢材表现出的包辛格效应，采用von Mises屈服准则和随动强化准则确定材料本构关系。
表1 试件钢材和高强螺栓的材料属性结果
2.2 对比分析
图9给出了单向加载下LB-1的弯矩-转角曲线试验值和模拟值的对比结果。可见：二者吻合程度较好，均表现出了试件承载力线弹性升高阶段(对应转角0~0.006 rad)、滑移阶段(对应转角0.006~0.02 rad)和承载力非线性升高阶段(对应转角0.02~0.06 rad)；转角较小时(小于0.006 rad)，试件处于弹性，模拟值略大于试验值，这与试验中梁端加载装置销轴间隙和焊接残余应力有关。随着加载的进行，试件开始屈服，在转角接近0.01 rad时，由于试件变形过大，螺栓连接处开始出现滑移，二者同时造成了弯矩-转角曲线斜率明显下降；在转角达到0.02 rad之后，螺栓开始与孔壁承压接触，弯矩-转角曲线斜率和试件受弯承载力开始上升；试件最终因变形过大无法承载而破坏，破坏时的弯矩为412 kN·m，极限转角为0.05 rad。
图9 LB-1弯矩-转角曲线
图10给出了循环加载下LB-2的弯矩-转角曲线试验值和模拟值的对比结果。可见：试验曲线和模拟曲线均呈倒S形，表现出明显的捏缩现象，该现象是由螺栓滑移所致；在循环荷载作用下，螺栓与钢板接触面往复摩擦(转角较小时)，试件局部塑性不断发展(转角较大时)，均使试件表现出了一定的耗能能力。可以看出，试验曲线和模拟曲线在屈服承载力、最大抗压抗拉承载力、承载力退化规律和滞回曲线形状等方面吻合良好，可在此基础上做进一步的参数分析。
图10 LB-2弯矩-转角滞回曲线
参数分析
3.1 试件参数设计
为了更好地指导设计与工程实践，本部分通过参数分析，量化节点抗弯刚度等力学性能与节点强度设计的关系，此结果为实现装配式Z形钢结构梁柱连接节点的标准化和刚度可调打下基础。试件设计系数见表2所列，设计系数表示节点与被连接构件(梁)的抗弯强度设计比值，1.0表示等强设计，通过改变螺栓的规格、数量、等级和摩擦系数来实现设计系数的变化。试件B1~B9的腹板螺栓与试验试件LB-1和LB-2的保持一致。
表2 装配式Z形钢结构梁柱连接节点参数设计
3.2 试件力学性能分析
分别对试件B1~B9进行单调加载推覆分析和循环加载滞回分析。
3.2.1 转动刚度
图11给出了试件B1~B9转动刚度对比结果。对于梁柱连接节点的抗弯性能，一般分为铰接、半刚接(图中灰色区域)和刚接[16]。可见：转角较小时，试件处于弹性阶段，靠螺栓摩擦传力，不同强度设计系数的试件均表现为刚接或接近刚接；随着加载的进行，设计系数较低的试件(如B1~B6)很快发生滑移，其弯矩-转角曲线存在明显的滑移段，而后螺栓接触承压传力，试件刚度会再次上升，在这个过程中表现出明显的半刚性特征；设计等强及以上试件(如B7~B8)，其滑移段出现得比较晚，且试件抗弯性能一直处在刚接区域；试件B9(强度设计系数为1.3)没有出现明显的滑移段，即增加节点连接强度可显著影响其抗弯性能。
图11 试件B1~B9转动刚度对比结果
3.2.2 承载能力
试件的承载能力大体可以分为两个阶段，且分别对应高强螺栓两个受力阶段，一是螺栓摩擦传力后期滑移失效对应承载力(图9)，二是栓杆接触承压传力至峰值弯矩(图9)。图12给出了试件承载力与螺栓连接强度设计系数的关系。可以看出：当设计系数介于0.2~0.9时，试件的滑移失效弯矩与峰值弯矩均与设计系数呈正线性相关关系；当设计系数介于0.9~1.3时，试件的滑移失效弯矩与峰值弯矩趋于稳定。
图12 试件承载力与强度设计系数的关系
3.2.3 破坏模式
Z形节点试件的破坏模式按照破坏顺序可分为两种：螺栓率先发生破坏和构件率先发生破坏，分别对应图13(a),(b)。试件B1~B5(对应设计系数为0.2~0.7)的应力集中和塑性变形首先大部分在螺栓栓杆位置发展，而后发展至梁柱连接的局部位置，破坏模式见图13(a)。随着连接设计系数的增大，试件的破坏模式由螺栓向构件转移。试件B6~B9(对应设计系数为0.9~1.3)的破坏模式见图13(b)。其中，试件B6的螺栓破坏和构件破坏基本同时出现，试件B7~B9应力集中和塑性变形率先大部分发展在柱的悬臂梁段和梁与悬臂梁段连接的位置，而螺栓位置处应力发展相对较为有限，发生破坏较晚。
图13 试件破坏模式 MPa
3.2.4 滞回性能
对试件进行循环加载条件下的滞回性能分析，典型试件B1、B6和B9弯矩-转角滞回曲线如图14所示，试件B1~B9骨架曲线如图15所示。可见：随着螺栓连接强度设计系数的增加，滞回曲线的形状由倒S形逐渐变为梭形；设计系数较低时曲线捏缩明显，说明节点存在着明显的滑移；设计系数增加，被连接构件可以发挥出较好的塑性变形能力，滞回曲线相对比较饱满。此外，试件每个滞回环均存在近似水平的滑移段，滑移荷载随着循环加载的进行不断降低，原因主要有两点：一是随着荷载循环次数的增加，摩擦面不断磨损，接触面的抗滑移系数会降低；二是加载过程中螺栓垫片发生塑性变形，导致预紧力下降。
图14 试件B1、B6和B9弯矩-转角滞回曲线
图15 试件B1~B9骨架曲线
3.2.5 耗能能力
试件弯矩-转角滞回曲线所围面积即为其每一循环的耗能能力，据此，图16给出了试件B1~B9耗能结果。可以看出：螺栓连接强度设计系数较小时，由于螺栓过早滑移，导致其耗能能力较小；节点与被连接构件强度相当时(即设计系数接近1)，能充分发挥构件的塑性变形能力，故其耗能能力最大；当设计系数较大时(大于1.3)，节点抗弯刚度较大，在相同位移荷载作用下变形较小，故耗能能力会略有降低。
图16 试件耗能能力
3.2.6 刚度退化
在低周往复荷载作用下，试件的割线刚度会随着加载位移的增加而减小。采用刚度退化系数ξ表示试件刚度退化程度(ξ数值越小表示退化越严重)，其公式定义如下：
式中：Ki为第i级加载时的割线刚度；Fi,pos与Fi,neg分别为试件在正向及负向加载时第i个滞回环的峰值力；Δi,pos与Δi,neg分别为试件在正向及负向加载时第i个滞回环的峰值位移。从图17可以看出：转角小于0.02 rad时，螺栓连接强度设计系数越大，刚度退化程度越小；转角大于0.02时，设计系数大的试件其刚度退化曲线趋于陡峭，故刚度退化较为严重。
图17 试件刚度退化结果
结 论
本文针对装配式Z形钢结构梁柱连接节点，通过试验研究和有限元分析，对其力学性能进行研究(包括转动刚度、破坏模式、承载能力、滞回性能、耗能能力和刚度退化等)，结论如下：
1)对于装配式Z形钢结构梁柱连接节点，其单调加载和往复加载最大层间位移角能达到0.05 rad，表现出了良好的延性和滞回性能。该连接节点的塑性大部分发展在柱的悬臂梁段与梁连接位置，能够做到塑性铰外移。此外，该连接节点构造形式下所需螺栓数量少，具有安装高效、经济性强的优点，在实际工程应用中具有可行性。
2)装配式Z形钢结构梁柱连接节点的承载能力分为三阶段，即弹性阶段、滑移阶段和承压传力阶段。在弹性阶段，不同连接强度设计系数的节点均表现为刚接或接近刚接。节点连接强度可显著影响其进入滑移阶段时间和塑性抗弯性能，强度设计系数较低时(如0.2~0.9)，节点弯矩-转角曲线很快表现出明显滑移段，其节点转动性能表现为半刚性；对于强度设计系数在1.0~1.3的试件，其滑移段出现较晚，且抗弯性能表现为刚性。总体上看，可通过改变节点强度设计系数来调节其抗弯刚度。
3)节点连接强度设计系数为0.2~0.9时，节点破坏模式为螺栓率先发生破坏，其滑移失效承载力和极限承载力与强度设计系数基本呈线性正相关。节点连接强度设计系数为0.9~1.3时，节点破坏模式转变为构件率先发生破坏，其滑移失效承载力和极限承载力基本保持不变。
4)装配式Z形钢结构梁柱连接节点的滞回性能受节点强度设计系数影响显著。随着节点连接强度设计系数的增大，滞回曲线形状由倒S形转变为梭形，循环初期刚度较大但刚度退化相对较块。强度设计系数在1附近时，节点表现出了最优耗能能力。
注:受限于推文篇幅，文章参考文献未标注，详见原文。
侯兆新，博士，正高级工程师，全国工程勘察设计大师，中国五矿集团建筑领域首席技术专家、国家钢结构工程技术研究中心总工程师。从事建筑结构工程的科研、设计、施工、检测咨询等40年，先后参与2008奥运工程、远海岛礁工程、港珠澳大桥以及新加坡环球影城、新加坡会展中心、新加坡圣淘沙名胜世界等国内外几十项重大工程技术创新工作，主参编20余部国家标准、行业标准和ISO标准，获得国家科技进步奖2项、国家技术发明奖1项，培养了30位硕士、博士后研究生。在高强度螺栓连接、金属围护系统、大跨度钢结构设计与施工、建筑与基础设施安全领域形成了研究特色和技术专长。
张爱林，北京工业大学教授、北京学者、长江学者创新团队带头人、北京市高层和大跨度预应力钢结构工程中心主任、中国钢结构协会副会长，《工业建筑》编委。在装配式大跨度预应力钢结构和高层钢结构体系创新、优化设计与工程应用研究取得突出成果。主持国家自然基金重点项目、科技部科技奥运和冬奥专项等项目，获授权发明专利150余项，发表学术论文200余篇，主编《预应力钢结构技术标准》《多高层建筑全螺栓连接装配式钢结构技术标准》等，参编《钢结构设计标准》《钢结构通用规范》等。获国家科技进步二等奖2项、省部级科技一等奖6项。
曾立静，博士，中冶建筑研究总院有限公司高级工程师。主要从事装配式建筑和高性能钢结构的理论和技术研究工作。参与完成和在研国家重点研发计划等国家级和省部级科研项目10余项，发表SCI/EI/核心论文22篇，申请和授权发明专利16项，获软件著作权2项，出版专著1部，获中冶集团科学技术奖和中国钢结构协会科学技术进步奖各1项。
张泽宇，博士，中冶建筑研究总院有限公司高级工程师，国家钢结构工程技术研究中心主任助理，中国钢结构协会房屋建筑钢结构分会副秘书长。主要从事钢结构及装配式建筑领域的技术开发与推广应用工作。参与国家科研项目5项，参编国家标准10余项，发表论文10余篇，授权专利30余项，获省部级科技奖励5项。相关成果应用于北京冬奥会、杭州亚运会等多项国家重点工程项目。
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