新型半刚性梁柱节点弱轴方向抗震性能研究

Research on the Seismic Performance of Novel Semi-Rigid Beam-Column Joints in the Weak-Axis Direction

摘要

H型钢柱的梁柱节点具有良好的抗震性能，在工程中具有广泛应用。为了适应装配式建筑的需求，本文提出一种新型的H型钢柱连接方案，该方案采用盖板来实现 H 型钢柱与梁之间的半刚性连接构造，这种连接方式能够在强轴和弱轴方向上均实现半刚性连接。为了探究这种新型半刚性节点在弱轴连接方向上的抗震性能，开展了4个不同端板厚度和轴压比的节点的低周反复加载试验，得到节点的破坏模式、极限承载力、滞回曲线和骨架曲线，对比了不同因素对抗震性能的影响。此外，利用ABAQUS软件建立了试验节点的数值计算模型。通过对比试验结果和数值模拟结果，验证了数值计算模型的准确性。研究结果表明，轴压比对于节点的极限承载力影响很小，而端板厚度不仅会影响节点的转动刚度，还会影响节点的极限承载力，10 mm厚端板的极限承载力比8 mm厚端板高30%左右，初始转动刚度高 38%左右。

Abstract

Beam-to-column joints of H-shaped steel columns exhibit excellent seismic performance and are widely used in engineering applications. To meet the requirements of prefabricated construction， this study proposes a novel connection scheme for H-shaped steel columns， in which cover plates are employed to achieve semi-rigid connections between columns and beams in both the strong- and weak-axis directions. To investigate the seismic performance of this new type of semi-rigid joint in the weak-axis direction， low-cycle reversed loading tests were conducted on four joints with different end-plate thicknesses and axial compression ratios. The failure modes， ultimate bearing capacities， hysteretic curves， and backbone curves were obtained， and the influence of these factors on seismic performance was compared. In addition， numerical models of the tested joints were developed using ABAQUS software， and their accuracy was validated by comparing the simulation results with the experimental data. The results indicate that the axial compression ratio has little effect on the ultimate bearing capacity， whereas the end-plate thickness significantly affects both the rotational stiffness and ultimate capacity of the joints. Specifically， the joint with a 10 mm thick end plate exhibits an ultimate capacity approximately 30% higher and an initial rotational stiffness about 38% greater than that with an 8 mm thick end plate.

Graphical abstract

关键词

半刚性 / 梁柱节点 / 弱轴 / 抗震性能 / 有限元模拟

Key words

semi-rigid / beam-to-column joint / weak-axis / seismic performance / finite element simulation

0 引 言

在钢结构建筑中，梁柱节点的性能将直接影响整个结构的安全可靠性，其受力复杂，需要传递轴力、弯矩及剪力，因此是结构中的重要研究对象^［1］。根据欧规EC3^［2］规定，节点可根据初始转动刚度分为名义铰节点、刚性节点和半刚性节点三类。带端板的半刚性节点是最常见的梁柱节点形式之一，很多学者对端板连接形式进行了研究。

Adey等^［3］曾对端板连接节点进行了循环加载试验，分析了端板厚度等参数对节点性能的影响。施刚^［4］对端板连接节点进行了静力试验研究，并分析了节点抗震性能的相关影响因素。沈乾等^［5］借助有限元软件对端板连接节点进行了数值分析，研究了端板厚度、螺栓孔分布等因素对节点承载性能的影响，得到了相关的计算模型。姜封国等^［6］对端板连接节点的抗火性能进行了研究，开展了抗火试验，并借助有限元模型进行了数值模拟，对节点的抗火性能进行了评估与分析。强旭红等^［7］对两种高强钢端板连接节点进行了模拟实验和有限元分析，研究出节点的两种破坏模式分别为端板破坏和螺栓断裂，得出端板连接节点具有较好的转动能力的结论。李祖玮等^［8］设计了一种新的全栓接半刚性节点，主要研究节点的半刚性特性、滞回曲线、破坏模式和应力分布情况。姜晓明等^［9］研究了一种带端板的半刚性螺栓连接节点，并根据其实际受力情况研究了节点抗弯和抗剪承载力之间的相互作用关系，发现剪力对节点承载力的不利影响更大。李占鸿等^［10］设计了一款冷弯厚壁型钢的螺栓连接节点，对6个梁柱节点进行循环加载试验，发现该节点具有一定的耗能能力，并研究了螺栓数量、节点翼缘板厚度等参数对节点性能的影响，强化了对冷弯厚壁型钢的研究深度。

综上所述，对于端板连接节点的研究已经较为成熟，但目前现有的带端板梁若想与H型钢柱连接，只能与柱强轴一侧的翼缘通过打孔连接，对于柱弱轴一侧，还没有能够与梁实现端板连接的构造。针对上述问题，本文设计了一种使用盖板的 H型钢柱端板连接节点，通过在梁腹板上焊接加劲肋及盖板，实现H型钢柱的弱轴与端板梁进行半刚性连接。为研究该新型节点在弱轴一侧是否具有良好的抗震性能和耗能能力，对其进行低周反复加载试验及有限元模拟研究。

1 新型半刚性节点弱轴方向的低周反复加载试验

为研究使用盖板的H型钢柱端板连接节点的抗震性能，对4个梁与柱弱轴连接的节点试件进行了试验，试验目的有：①得到半刚性节点在往复荷载作用下的受力机理、滞回曲线、耗能能力、刚度变化等力学性能；②通过4个节点不同轴压比、端板厚度的对比，分析不同参数对节点性能的影响；③整理试验数据，与有限元数值分析结果进行对比，验证有限元模型的合理性。

1.1　材性实验

为获得试验中所有构件的材性特征，对试验所用的Q355B钢材进行静力拉伸试验，以获得材料的相关力学参数，为后续的数值分析提供本构关系等。依据《钢及钢产品 力学性能试验取样位置及试样制备》（GB/T 2975—2018）^［11］，在试验构件上取样并加工标准材料拉伸试件3根。加载制度根据《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2021）^［12］确定，在弹性范围内（即应力小于名义屈服强度时），单调试验的加载速率为0.2 mm∙min^-1，当应力大于名义屈服强度后以1 mm∙min^-1速度均匀地将试件拉断。

实验表明，本批试件的Q355B钢具有良好的延性，具有明显的屈服平台。得到的试验结果见表1，各项指标符合国家标准GB/T 228.1—2021要求。

1.2　试件设计

节点的示意如图1所示，H型钢柱的弱轴方向焊接加劲肋和盖板，在盖板上开孔，与带端板的H型钢梁通过M12高强螺栓进行连接。其中H型钢柱截面尺寸为200 mm×200 mm×6 mm×10 mm，H型钢梁截面尺寸为280 mm×100 mm×6 mm×10 mm，竖向加劲肋厚度为6 mm，横向加劲肋厚度为10 mm，盖板厚度为10 mm，所有构件的材料均为Q355钢。

为对比轴压比、端板厚度对节点滞回性能的影响，设置了4个正交实验，参数见表2，设置了8 mm、10 mm 两种端板厚度以及0.2、0.4两种轴压比，其中编号“W”代表梁与柱弱轴连接，“10”代表端板厚度为10 mm，“4”代表轴压比为0.1×4=0.4。

1.3　测点布置

为了研究节点性能，需对测点布置位移计及应变片，以得到节点在低周往复荷载作用下的应力应变、位移转角、构件变形等。位移计的布置如图2所示。其中位移计DT-1、DT-2用于测量梁端板和柱翼缘的间隙；DT-3可以测量梁在节点处的挠度；DT-4、DT-5用于测量柱在平面内的转动；DT-6、DT-7能够测量柱底支座的转动情况；DT-8能够测量梁柱之间的转角；DT-9和DT-10能够测量梁端位移，也能够测量梁端弯扭程度。图3是应变片的布置图。柱表面上下各在八个方向布置了单向应变片S1—S8、S9—S16，用于检查是否存在偏心及不对称情况；梁表面前后各在翼缘上布置4个单向应变片S17—S20、S21—S24，用以测量翼缘弯矩，并检查是否存在扭转；在梁端板上布置了16个单向应变片S25—S40，以测量端板在低周往复荷载中的应力变化及应力分布情况。节点域应力复杂，故采用三向应变花，在H型钢柱弱轴的上下盖板上分别布置了4枚应变花，即TS1—TS4及TS5—TS8。

测点布置完成后，实测检查其定位，所有试件重要测点的实际位置与设计位置偏差均小于2 mm，所有位移计的实际位置与设计位置偏差均小于1 mm。因此，数据整理时可用测点的设计位置代表实际位置。

1.4　加载制度

节点的加载装置如图4所示，使用了50 t水平反力架、100 t竖向反力架、50 t竖向反力架、100 t千斤顶及50 t伺服作动器，柱顶仅释放平面内的转动自由度，柱底刚接。

拟静力试验加载制度主要有三种：力控制加载制度、位移控制加载制度、力-位移混合控制加载制度。本试验参考《建筑抗震试验规程》（JGJ/T 101—2015）^［13］，并结合试验自身的特征，采用力-位移混合控制加载制度。在正式加载前进行预载，预载值为25%P_y各循环两次，以便检测应变片、采集箱等设备能否正常工作。正式加载时，往复荷载采用分级加载，屈服前，采用力控制，分三级加载，分别为屈服荷载的25%、50%、75%，且每级循环两次。当荷载达到75%后，继续加至屈服并记下屈服位移。此后采用位移控制，每级变形以屈服位移的倍数控制，每级循环3次，如图5所示。

1.5　试验结果

试验结果显示，4种节点的破坏模式都是端板边缘的螺栓被拉断，如图6（a）所示，破坏时，端板均呈现较大的塑性变形，但通过对比图6（b）—图6（d）中端板的变形可知，W-10-2和W-10-4的端板变形更小，螺栓被拉长的较少，而对于W-8-2 和W-8-4，由于其端板更薄，因此产生的塑性变形更大，可以看出翘曲更加明显，也导致螺栓更容易被拉长，相比于W-10-2和W-10-4，螺栓发生断裂更早，因此极限承载力更小。此外，观察发现H型钢柱焊接的竖向加劲肋、横向加劲肋和盖板都没有产生明显的塑性变形，说明该构造承载性能较好，不会先于端板发生破坏。

为获得节点的滞回曲线，需要计算节点的转角，从图7可以看出，梁端位移{\Delta }_{\mathrm{m}\mathrm{i}}由节点弯曲变形而产生的位移{\delta }_{\mathrm{i}}以及结构柱受弯变形引起的位移{\Delta }_{\mathrm{i}}组成，因此可按照公式（1）计算节点转角。

\phi \approx \frac{{\delta }_{\mathrm{i}}}{l_{\mathrm{w}}}=\frac{{\Delta }_{\mathrm{m}\mathrm{i}}-{\Delta }_{\mathrm{i}}}{l_{\mathrm{w}}}（1）

式中：{\Delta }_{\mathrm{m}\mathrm{i}}为梁端位移，可由梁端位移计获得；{\Delta }_{\mathrm{i}}为节点域为刚性节点时两端产生的位移，由数值计算获得；l_{\mathrm{w}}为加载点至梁柱连接面处的距离。

通过上述方法，计算杆端弯矩M与杆端转角 φ，以表征滞回曲线。四个节点的滞回曲线如图8—图11所示。从图中能够看出，4个节点都经历了相似的受力周期，在加载初期，曲线都接近一条直线，证明结构有良好的弹性，卸载后能够恢复；随着荷载不断增大，端板屈服进入塑性，滞回环大致呈纺锤型，较为饱满，证明结构具有较好的抗震性能；随着荷载进一步增大，节点达到了极限承载力，可以发现随着转角增大荷载节点的极限弯矩不再增大，高强螺栓因端板的翘曲松动，失去预紧力，发生滑移，整体滞回环捏缩，呈反S形，节点刚度逐渐退化；最终当螺栓伸长达到极限后，螺栓断裂。

在滞回曲线的基础上，依次连接各级位移加载循环的峰值荷载点，即可得到骨架曲线，能够反映结构极限承载力和延性等主要特点，如图12所示。图13则为各个节点的累计耗能曲线，其中横坐标为循环的圈数n，纵坐标为前n圈循环所耗得能量之和，能够反映节点在低周往复荷载下的耗能能力。

为研究轴压比对节点的影响，将图8、图9及图10、图11合并成图14及图15，结合骨架曲线和累计耗能曲线，对比0.2及0.4的轴压比对于节点抗震性能的影响。通过观察滞回环、骨架曲线和耗能曲线能够发现，轴压比对节点的滞回性能影响很小，对于相同端板厚度下不同轴压比的两个节点，无论是初始刚度、滞回环形状及极限承载力，都没有明显的差异，骨架曲线和累计耗能曲线也几乎重合。因此认为当轴压比小于0.4时，可以忽略轴压比对节点滞回性能的影响。

为研究端板厚度对节点的影响，将图8、图10 及图9、图11合并成图16及图17，结合骨架曲线和累计耗能曲线，对比8 mm厚端板及10 mm厚端板对于节点滞回性能的影响，通过观察滞回环、骨架曲线和耗能曲线能够发现，在加载初期，8 mm厚端板节点的初始刚度明显小于10 mm厚节点，这是由于端板厚度会影响端板自身刚度，而端板处于节点的转动区域，其刚度也会影响整个节点的刚度。此外，通过累计耗能曲线也能看出，10 mm厚节点耗散的能量大于8 mm厚节点，其极限承载力也更高。这是因端板厚度越薄，其刚度更小，塑性变形越大，当受到同样应力时，8 mm厚端板变形更大，因此对螺栓的拉伸也大，螺栓更早发生断裂，而10 mm厚端板变形小，螺栓发生滑移时未达到断裂应变，因此滞回环有螺栓滑移阶段，耗能能力更强。

表3是4个节点的螺栓断裂位置、极限承载力及初始转动刚度值，可以看出轴压比对于节点的极限承载力影响很小，两者相差在2%以内；对转动刚度的影响也很小，相差10%左右。而端板厚度不仅会影响节点的转动刚度，还会影响节点的极限承载力，10 mm厚端板的极限承载力比8 mm厚端板高30%左右，初始转动刚度高38%左右。

2 新型半刚性节点滞回性能的数值模拟

2.1　模型的建立

使用有限元分析软件ABAQUS建立了上述4种新型半刚性节点的数值模型，如图18所示，其几何尺寸、节点构造方式与试验节点一致，为保证计算效率和计算精度，采用三维线性减缩积分单元（C3D8R）进行结构化网格划分，在试验中没有出现焊缝破坏，因此可以使用绑定约束来模拟焊接连接。其余的构件均采用同种接触关系，定义其法向行为为“硬”接触，允许接触后分离，切向行为中摩擦公式定为“罚”，且摩擦系数为 0.3。在柱顶设置铰接，柱底设置固接。

试件模型中所涉及的材料有Q355B钢材和8.8级M16高强螺栓。高强螺栓材料的本构模型采用两折线弹塑性模型，弹性模量取20 000 MPa，屈服强度取640 MPa，极限抗拉强度取800 MPa，极限塑性应变取0.2。Q355B钢材的本构模型采用带下降段的三折线模型，材料的力学性能参数由1.1节中材料力学性能试验得到，在本构模型中，材料的弹性模量取204 000 MPa，屈服强度取380 MPa，极限抗拉强度取504 MPa，对应的塑性应变为0.3，下降段内最低点强度取410 MPa，对应的塑性应变为0.5。

为模拟试验加载制度，将有限元模型的计算分析分为四步，①施加螺栓荷载；②将螺栓荷载设为“固定在当前长度”，保证高强螺栓压紧盖板；③在柱顶耦合点施加相应的轴压力；④与试验低周往复荷载加载制度相同，周期性施加梁端位移荷载。

2.2　分析结果

图19是发生破坏时4个节点的应力分布图及柱上加劲肋及盖板应力图，可以看出节点在端板处有较大的塑性变形，但整体没有达到极限应力发生破坏，盖板和加劲肋的应力也没有达到屈服，应力较小，没有明显的变形，只有螺栓处发生了螺栓拉断，这与试验的结果相同。

图20是数值模拟结果与试验结果的对比图，可以看到，有限元模型成功模拟了端板的挠曲以及螺栓的拉伸断裂。图21为节点试验与有限元的滞回曲线的对比，可以发现，对于8 mm厚端板节点，有限元滞回曲线能够较好地模拟试验情况，试验与有限元曲线的走向一致、形状一致、拐点一致，且极限承载力接近，但在曲线水平段，有限元曲线相对于螺栓的捏缩程度更小，这是由于有限元中螺栓的长度比实际螺栓长度小，因此滑移量更少；对于10 mm厚端板节点，在螺栓滑移前，能够较好地模拟出节点的实际受力情况，曲线的形状一致、斜率相同，且二者的极限承载力接近，但在螺栓松动后，在曲线水平段，有限元曲线相对于螺栓的捏缩程度更小，这是由于有限元中螺栓的长度比实际螺栓长度小，因此滑移量更少，且由于摩擦性高强螺栓发生滑移时便认为发生了破坏，因此有限元模拟至螺栓发生滑移结束后，没有再进一步计算。

表4给出了试验与有限元结果的对比，可以看出，节点极限承载力的试验实测结果与有限元模拟结果的误差均小于10%，表明有限元具有足够的精度。

3 结 论

本文对一种使用盖板的H 型钢柱连接半刚性节点在柱弱轴方向的抗震性能进行了研究，对4个不同轴压比和端板厚度的节点进行了低周往复加载试验和数值分析，主要工作内容与研究结论如下：

（1） 完成了4个节点的低周往复加载试验，得到4个节点的破坏模式、极限承载力及荷载-位移数据，通过计算绘制了4个节点的滞回曲线。

（2） 分析试验结果及滞回曲线可以发现，4个节点在螺栓滑移前滞回环都较为饱满，具有良好的抗震性能，随着荷载增大，端板发生塑性形变，螺栓被拉长至断裂。当轴压比小于0.4时，轴压比对节点的抗震性能影响很小；端板厚度对节点的承载性能影响较大，端板越厚，节点的极限承载力和初始刚度越大。

（3） 建立了4个节点对应的有限元模型，得到有限元计算结果，通过对比有限元模拟结果与试验结果，发现有限元能够良好地模拟节点的抗震性能，整体误差都在10%以内，为以后进一步研究节点的性能打下了基础。

（4） 结合试验及有限元数据，分析节点的初始刚度、极限承载力及耗能能力可知，该新型节点能够实现H型钢柱强轴及弱轴同时与带端板的H型梁相连，该构造在节点弱轴方向的承载性能良好，节点具有一定的抗震能力，存在应用于工程的可能性。

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