张振宇，王志杰，刘彦东，刘健康

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710056)

近年来，随着建筑业用工成本上升和绿色建筑的推广，工业化装配式建筑逐渐成为当前建筑行业的发展趋势[1，2]。钢结构建筑具有工厂预制、现场安装、材料轻质高强、运输成本低和绿色低碳环保可循环利用的优势，是建筑工业化的最佳载体[3-5]，也符合创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念[6]。目前，国内外学者对水平构件采用全螺栓刚性连接形式来实现装配式钢结构已有足够研究[7，8]，但是对于竖向构件(尤其是箱形截面柱)的拼接研究相对欠缺[9-11]。本文借助ABAQUS分析软件[12]，建立了一种箱形钢柱插入式拼接节点有限元模型并对其进行受力分析，同时对影响其受力性能的参数进行研究，以期为该节点的设计应用提供参考。

1 节点强度、刚度判断标准

箱形钢柱插入式拼接节点由上、下法兰板，高强螺栓，内套管等部件组成，内套管下端伸入下钢柱内并与其内壁固定为一体，内套管上端插入上钢柱中，然后采用高强螺栓将上下法兰板紧固连接，如图1所示。内套筒的作用首先是方便现场拼接，其次是通过内套筒的抗弯性能传递拼接节点处的弯矩，水平力则由法兰接触面的摩擦力传递。

图1 箱形钢柱插入式拼接节点组成

对其拼接节点的受力性能进行分析，首先要判断其能否满足构件强度要求及刚度连续的假定。采用《钢结构设计标准》(GB 50017—217)[13]8.1.1条作为节点强度的判断依据，但在刚度判断标准方面，我国规范并未明确节点弯矩-转角曲线的计算方法，因此，本文参考欧洲规范(EC3)[14]中节点刚度的分类方法作为刚度依据。

2 节点的有限元模型

2.1 模型建立

利用节点的对称性，有限元模型建立时只取一半的节点，对拼接节点的不同部位分别建模，如图2所示，节点模型由上柱、下柱、内套管、高强螺栓、法兰板组成。

2.2 单元选取和网格划分

有限元模拟应考虑材料、几何及状态的非线性，同时对于模型中的接触进行模拟，为有效解决剪切自锁问题需要使用非协调模式单元，因此有限元模型中采用C3D8I单元(8节点六面体线性非协调单元)模拟节点所有组件。

图2 拼接节点有限元模型

在柱拼接处螺栓和螺栓孔等截面形状不规则区域和关键部位网格划分较密，以便更好地观察应力分布情况。

2.3 材料的本构关系

在有限元模型中，柱、法兰盘及内套管均采用Q345B钢材，螺栓采用10.9级高强螺栓，所有钢材材料模型采用双线性+非线性强化材料模型[15]，其材料模型表达式如下：

所有试件的材性指标见表1。由于ABAQUS中仅能接受材料的真实应力-应变关系，因此，将式(1)中材料的工程应力应变关系转换为真实应力-应变关系。

σtrue=σnom(1+εnom)

(2)

表1 试件材性指标 MPa

2.4 接触分析和螺栓预应力模拟

接触方式采用的是绑定约束和面与面接触。该模型中焊缝拼接板与翼缘的连接均采用绑定约束，螺栓杆与孔壁之间、螺栓帽与拼接板、翼缘与板件间以及板件与板件间的接触均采用面-面接触方式考虑。

对于拼接节点，螺栓的预拉力对拼接应力的影响是非常重要的。为了确保应力模拟的可靠性，通过ABAQUS中的荷载功能模块在螺栓杆横截面上施加螺栓预拉力。

2.5 边界条件和非线性求解控制

为了确保有限元模型的边界条件与实际相符，在柱底约束所有节点的X、Y、Z方向的平动和转动自由度，以模拟柱底刚接的边界条件。由于仅考虑半个节点进行模拟，因此，在模型对称轴沿XZ平面定义对称约束。耦合柱顶所有节点的平动自由度，同时对耦合节点施加X向位移，以模拟单调加载。

采用全Newton-Raphson法，该方法是将一个分析步分解为多个子步，使用子步依次增加载荷，进行非线性迭代求解的方法，每次迭代都对刚度矩阵进行修正，不但能提高计算结果的精确度，而且增强了求解的收敛性。

3 BASE试件受力性能分析

按照第2节所述的原则建立BASE试件有限元模型，通过分析得到该试件的荷载-柱顶位移关系曲线、极限荷载、破坏模式。

3.1 试件设计及受力模型

上下箱形钢柱采用1000mm×40mm，内套管为900mm×20mm，上端插入深度500mm，法兰板厚度50mm，采用10.9级摩擦型高强螺栓M30连接，如图3(a)所示，试件受力模型如图3(b)所示。

图3 BASE试件尺寸及受力模型(mm)

3.2 荷载-柱顶位移关系曲线

有限元分析得到的BASE试件荷载-柱顶位移关系曲线如图4所示。由图4可知，试件经历了弹性阶段、弹塑性阶段后达到其极限荷载，之后荷载下降，节点失去继续承载的能力。将该曲线转换为钢柱插入式拼接节点的弯矩-转角关系曲线，节点弯矩转角关系曲线如图5所示。由弯矩-转角关系曲线的初始刚度可判断该拼接节点是否满足刚性连接的要求，由节点荷载-柱顶位移关系曲线可得该节点的主要力学特性见表2，同时表2中给出钢柱强度及刚度需求值。

图4 BASE试件荷载-柱顶位移关系曲线

图5 BASE试件弯矩-转角关系曲线

由表2中数据可知，按等强设计的钢柱插入式拼接节点满足强度及刚度要求。

表2 BASE试件的关键受力性能

3.3 破坏模式

BASE试件从开始加载到破坏过程中的变形及应力变化如图6所示。从图6中可见，在竖向荷载加载结束时，内套管并未参与受力。当节点承受水平荷载时，内套管开始受力，当水平荷载加载至屈服荷载时，上、下柱法兰板紧密贴合，所有部件均处于弹性状态。达到极限荷载时，上、下柱及内套管部分屈服，此时上、下柱法兰板在节点受拉侧有张开趋势，内套管上部出现局部屈曲现象。随着水平荷载继续增大，上、下柱法兰板在节点受拉侧张开，内套管原有局部屈曲变形进一步加剧，节点承载力下降，试件破坏。由于法兰厚度满足等强要求，因此整个加载过程中未见法兰弯曲。

图6 BASE试件加载过程的变形及应力云图

4 参数分析

在已有的BASE试件模型分析的基础上，通过改变轴压比、内套管长度、内套管厚度、法兰板厚度及螺栓预拉力等参数设计了五组试件模型，并研究各组试件在单调荷载作用下的初始刚度、极限承载力及应力分布状况。通过对比分析，得到各参数对箱形钢柱插入式拼接节点受力性能的影响规律。

4.1 轴压比

为分析柱轴压比对拼接节点受力性能的影响，设计了ZYB系列试件，此系列试件与BASE试件相比，除柱轴压比外，其他几何参数均保持不变。由图7可知，随着轴压比增大，所有ZYB试件均经历了与BASE试件相似的变形过程。当轴压比为0.3和0.4时，试件荷载-位移曲线趋于重合，钢柱插入式拼接节点的性能趋于稳定。当轴压比继续增大时，节点初始刚度会有小幅度提高，但其连接承载力几乎趋于不变。从表3可知，试件的屈服位移和屈服荷载随轴压比的增大而增大，极限位移则呈降低趋势，但极限荷载随轴压比增大。以上分析表明：轴压比在0.2～0.4之间时能满足初始刚度及承载力要求，且随着轴压比增大节点初始刚度及承载力略有提高。

图7 ZYB系列试件的荷载-柱顶位移关系曲线

表3 ZYB系列试件的关键受力性能

4.2 内套管外伸长度

为分析内套管外伸长度对拼接节点受力性能的影响，设计NTB系列试件，此系列试件与BASE试件相比，除内套管外伸长度外，其他几何参数均保持不变，结果如图8所示。由图8可知，各试件荷载-位移曲线在开始加载时基本重合，随着荷载增大，内套管外伸长度较小的试件NTB0.25刚度明显降低，在较低的荷载下达到极限承载力，但对于内套筒外伸长度大于柱外轮廓尺寸0.5倍的其他试件，在试件屈服前，各试件荷载-位移曲线仍保持基本重合。NTB系列试件的关键受力性能见表4，试件屈服荷载、极限位移、极限荷载均及初始刚度均随内套管外伸长度增大而增大。增长速度均为前期增长较快，后期增长缓慢。以上分析表明：适当提高内套管外伸长度可以提高拼接节点的承载力和刚度，但从经济性及安装角度考虑，建议内套管外伸长度取柱外轮廓尺寸的0.5～0.8倍。

4.3 内套管厚度

为分析内套管厚度对拼接节点受力性能的影响，设计NTT系列试件，此系列试件与BASE试件相比，除内套管厚度外，其他几何参数均保持不变，结果如图9所示。由图9可知，各试件在屈服前荷载-位移曲线基本重合，当内套筒厚度大于0.6倍柱壁板厚度时，在达到试件极限承载力后，荷载-位移曲线下降缓慢。NTT系列试件的关键受力性能见表5，随着内套管厚度增大，试件的屈服位移、屈服荷载、极限位移、极限荷载均及初始刚度均随内套管厚度增大而增大。增长速度均为前期增长较快，后期增长缓慢。以上分析表明：适当提高内套管厚度可以提高拼接节点的承载力和刚度，但从经济性及安装角度考虑，建议内套管厚度为箱形柱壁板厚度的0.6～1.0倍。

表4 NTB系列试件的关键受力性能

图8 NTB系列试件荷载-柱顶位移关系曲线

图9 NTT系列试件荷载-柱顶位移关系曲线

4.4 法兰板厚度

为分析法兰板厚度对拼接节点受力性能的影响，设计FLT系列试件，此系列试件与BASE试件相比，除法兰板厚度变化外，其他几何参数均保持不变。有限元分分析结果表明：加大法兰板厚度可以提高拼接节点的承载力和刚度，但提高幅度有限，因此，建议法兰板厚度应取柱壁板厚度的0.6～1.0倍。

4.5 螺栓预拉力

施工过程中由于操作原因，可能发生螺栓漏拧或紧固力矩不满足设计要求的情况，这都会导致螺栓预拉力不能达到其设计值。为分析螺栓预拉力对拼接节点受力性能的影响，设计BIF系列试件，此系列试件与BASE试件相比，除螺栓预拉力大小外，其他几何参数均保持不变。有限元分分析结果表明：按照设计值施加螺栓预拉力可以提高拼接节点的后期承载力和刚度，因此，建议实际设计及施工过程中，应按设计值对螺栓施加预拉力。

表5 NTT系列试件的关键受力性能

5 结 论

1)轴压比在0.2～0.4之间时能满足初始刚度及承载力要求，且随着轴压比增大节点初始刚度及承载力略有提高。

2)适当提高内套管外伸长度可以提高拼接节点的承载力和刚度，但从经济性及安装角度考虑，建议内套管外伸长度取柱外轮廓尺寸的0.5～0.8倍。

3)适当提高内套管厚度可以提高拼接节点的承载力和刚度，但从经济性及安装角度考虑，建议内套管厚度为箱形柱壁板厚度的0.6～1.0倍。

4)加大法兰板厚度可以提高拼接节点的承载力和刚度，但提高幅度有限，因此，建议法兰板厚度应取柱壁板厚度的0.6～1.0倍。

5)按照设计值施加螺栓预拉力可以提高拼接节点的后期承载力和刚度，建议实际设计及施工过程中，应按设计值对螺栓施加预拉力。