异形空心构件螺栓端板连接节点 受力机理及性能研究
赵思远，郭彦林，张博浩，寞超（港华大华土本工程系，北京100084）
[摘要】结合国外某火车站站房钢结构异形构件，采用有限元接触单元研爽了十字影竭板连接节点的受力特点. 首先分绍节点在单向有载作用下不同位置螺检的受力情况，并通过改变节点构件的尺寸及继栓预重力研究节点不同的失效模式：其次考察节点在往复加载下的受力性露，研究立柱板件票度，确板厚度及螺检预紧力的影响，本文[美键调]情结构：项板连接：有限元：静力扣：将因性能：耗能：换然分析 的计美站显指出该节点的设计应考账各构件之间的强度匹配，以保证节点具有足够的承截力及优疫的耗能期力.
[中医分类号]TU318 [文标识码]A[文章编号]1002-5498（2012）14-0044-05
Performance Study onEnd-plate Bolted ConnectionBetween Special-shaped HollowMembers
(Dperme ef Cin Enginrig Tingh Uniniy Brjlng 10008 Chine) Zhao Siyuan Guo Yanfin Zhang Bohao Dou Chao
Abstract ;This psper presnte mechnical characteriatics of the crosshaped end-plate bols connection ifereigm high-speed nilrod ustien by usingfinite element method. Fintly based on the fore distnbutinby chamging end-plate thickness sand pre-tensios load of bolts. Then mechaniesl properties ef the joint and ribration of bols in diferent locatises of end-plate difeent fail models of the joint are invetigatedunder the cycle load are studied and effect of member plate thickness end-plate thicknes and pre-ensin load of bols are iolved is the anlyias. The rulte shows tht strength match ef all parts in the joint should be cansidered in the design of the joint to make sure that the joint heve aa sdequate bearingdo d ou pe id
Key words; steel strsctures; end-plate connections; finite elemeet method; statie loading; hystereticperfcrmance; energy dissipation; costact analyis
成的十字形藏面，因此平齐式节点端板也为十字四肢中，如图1所示.施工安装时通过立柱腹板上 形，48题M30的高强螺栓均匀布置在十字形端板的的方形手孔安装螺栓，最后将方形手孔封补好，完成节点的安装.
0板述
将梁柱等构件拼接起来的构造方式，由于其现场 螺检-端板连接节点是一种利用高强螺栓、端板安装方便、无现场媒楼、节点受力合理可靠等优点，广泛用于大型钢结构梁柱拼接中.常见的端板拼 接形式有外法兰式和内法兰式，后者需要在连接构件的倒板开孔以方便高强爆栓的安装，削崭了构件的强度，往往应用在受力较小的构件连接中.但某 些工程由于建筑美观的需要，对于某些受力较大的构件仍然采用平齐式端板连接.国外某离速铁路站大厅立柱中的端板连接即采用这种连接方式.
目前大量文献对短形增板造型的节点性能进行了研究，本文将研究十字形端板节点在单向荷载和滞回荷藏作用下的受力特点，以考察其静力承载 力以及带回耗能力.
1有限元横型与加最方法
可分为2个阶段，即安装高强螺栓的预紧阶段和承 由赛强螺检及端根形成的拼接节点受力过程受外荷载的受荷阶段.在预紧阶段中，端板之间及瞬板与螺栓之间的接触面处于紧密接魅状态，且能够传运法向压力和摩拟力：在受荷阶段，随着外拉
由于该工程中柱子是由4个U形薄壁截面组
Solid45建模外，其他板件均采用壳单元Shell181模计算所需的时间，但面临实体单元和壳单元的连接 拟.如此建模虽然可以减小有限元单元数目、节约问题.文献[3]指出由于实体单元的节点仅有3个平动自由度，壳单元的节点除平动自由度还拥有转动自由度，因此当端板的实体单元和立柱的壳单元 共用节点时应视为接，面并非实际情况中立柱和端板通过焊缝形成的刚性连接.为实现竭板和立柱的刚性连接，本文采用多点约束方法（MPC），通 过在端板表面形成”虚壳”来实现柱板件和端板的刚接.
图1国外某高铁站的立柱拼接节点Fig.1 The connection of column in fereiga bigh-speed rallroad station
力的增大，接触面之间的法向挤压力逐渐减小直至为零，接触面可能相互滑移直至脱离，此时接触面 之间并无约束.由此可见，端板螺栓节点的受力分析是伴随看构件边界条件改变的状态非线性分析.因此虽然端板连接形式简单、施工方便，但对其受力过程的精确分析还比较国难.
均设置为理想弹塑性，10.9级高强螺栓采用三折线 有限元模型中立柱的板件和编板的材料属性模型，如图3所示.
国内外不少学者采用试验的方法对矩形端板螺栓节点进行研究，通过分析试验结果得到了很多有意义的结论.此外，随着有限元技术的发展，利 用数值计算模拟接触过程逐渐得到了推广应用.本文采用有限元软件ANSYS中接触单元Contac173和Target170对十字形端板螺栓节点的性能进行精 细模拟分析.
图3螺栓材料本构关系Fig.3 Constitutive law of bolts
加载过程分为3步：第1步，通过预紧单元顶端施加轴向压力至设计值，为避免局部压力过大 Prets179为高强螺栓施加预紧力：第2步，在立柱的造成立柱板件的应力集中，立柱的顶端设置刚性盖板以方便加载：第3步，在立柱顶端施加水平单向荷 载或滞回荷载.有限元模型及加载如图4所示.
模型中共设置了两对接触对，即上端板和下端板接触对、上端板和螺母接触对，下端板和螺母之 间通过共用节点来避免未施加预紧力时螺栓出现的刚体移动现象（见图2）.
Fig.2 Model of end plate bolts and contact 图2端板、螺栓和接触模型
常见的为构件施加预应力的方法有两种：①第1种采用”降温法”对构件降温，利用构件收缩变形来模拟其中的预应力.该方法通过线膨胀系数 计算构件的降温幅值，所以对线单元模拟的构件比较适用：②第2种通过在构件中设置预紧单元井用于实体单元模拟的构件.本文采用第2种方法模念，换言之节点在承受单向荷载或滞回荷载时应保 对预紧单元施加预紧力来模拟构件的预紧过程，可
图4有限元模型和加载示意Fig. 4 FEM model and loading schematic diagram
2静力性能
节点构造应满足“强节点，弱构件”的设计理拟螺栓的预紧过程，所选择的预紧单元为Prets179.证高强螺栓与连接端板的失效应晚于立柱的板件
有限元模型中除了螺栓和端板采用实体单元破坏，因此端板的厚度、高强螺栓的强度与立柱的
板件厚度三者之间存在一定的匹配关系.本文将通过研究不同的节点模型说明各构件尺寸对该节 点性能的影响.各节点尺寸如表1所示.表1中，表示原模型立柱中各个板件的尺寸，其中上翼缘=20mm，圆弧板t=16mm，下翼缘t =20mm，腹 板w=20mm.
表1节点尺寸Table 18 Slze of Joints
节点 编号 立柱板 件厚度 厚度/mm 暖板 高强螺栓预 紧力/kNJD1 JD2 0.5r 25 25 393 393car JD4 0.5 0.5t 65 65 393 10
在以上4个节点模型中，JDI和JD2用于研究立柱板件厚度对节点承载性能的影响：JD2，JD3用于研究编板厚度对节点性能的影响：JD3和JD4用 于研究不同的螺栓预紧力对节点性能的影响，其中393kN为英国规范BSEN20898-1所规定的10.9级M30高强螺栓预拉力值.
假设作用在柱硬的水平力沿y方向，则传递到端板处时产生：方向的弯矩M，（见图5）.
Fig.5Distribution of bolts 图5螺栓布置
加载过程中，节点的受力过程可以分为如图6所示的3个阶段：①首先在预紧力作用下，螺栓的预紧力P.和端板之间的作用力N相互平衡，如图6a所示.②在外荷载较小时，受拉侧（-y侧）的端板
尚未脱离，但端板间的作用力从N.下降至N.假设端板刚度足够大面没有变形，那么受拉侧的螺栓 拉力将有所增加（如图6b中从P 增加到P ），相反受压侧由于端板接触更加紧密，因此端板间作用力从N增加到N.而螺栓拉力则从P.下降到P ，如 图6b所示.：轴附近的螺栓位于中性轴附近，因而控力变化不大.③随着外荷载的增大，受拉侧（-y侧）的端板逐渐脱离.此时弯矩M，在受拉侧完全 由高强螺栓承担，其螺栓力迅速增大到P，受压侧的端板作用力则增加到N ，螺栓力进一步下降到P，如图6c所示.
螺栓群变形儿乎相同，其拉力的变形规律也近似相 以上分析中假设端板刚度足够大，因此受拉侧同，面实际上由于端板的变形，螺栓群中每个螺栓的拉力变化规律并不相同，以JD1和JD3为例，提取 单向加载过程中各螺栓力随加载位移的变化曲线，如图7所示，其中螺栓的编号如图5所示.加载方法为位移加载，最大位移为150mm.
观察JD1的螺栓拉力可知，随着外荷载的增大，受拉侧最外排螺栓（螺栓①）的拉力迅速增大直至极限拉力，随后该螺栓失效，但此时节点的其他构 件尚未失效；螺栓①退出工作后，受拉侧外围的其他螺栓（螺栓②，③，④）的拉力逐渐增加直至全部达到极限拉力，此时节点失效破坏.因此JD1的失 效是由于受拉侧外围的螺栓达到极限状态所造成的.观察受拉侧内侧螺栓（螺栓）的拉力发现，该螺栓的拉力非但没有增加，反面逐渐下降，这是由 于编板厚度不足，最终产生了如图8所示的“内回形”塑性变形，故螺栓拉力不增反降.中性轴附近的螺栓及受压侧的螺栓控力几乎没有变化.
JD3中螺栓的拉力变化与JD1不同，由于柱子板件尺寸的减小，当位移加载至80mm时，柱子板件发生局部屈曲失稳（见图9），此时螺栓①的控力为606kN，尚未达到螺栓的极限控力.螺栓②，③，④ 的拉力相近，约为450kN.此后随着位移继续增大，螺栓的力逐渐下降.整个加载过程中，由于端板厚度增大，因此编板并未出现“内凹形“变形，因
图6端板螺栓受力
Fig.6 Loading schematic diagram of end plate and bolts
预紧力对螺栓承载性能影响也不大（JD3和JD4）.
图10单向加载荷载-位移曲线Fig.10 The loading-displacement curves of ualaxial loading
结论：①柱子板件厚度较大时，节点失效由受拉侧 通过以上单向加载分析可以总结出以下几点的螺栓全部失效所引起；柱子板件厚度较小时，则板厚度并不影响节点的承载性能，但过薄的端板会 由柱子板件的大面积屈服及局部属由引起.②端形成”内凹形”的塑性变形，同时会造成受控侧内侧螺栓拉力下降.③加载过程中受压侧螺栓和中性 轴附近螺栓的内力变化不大，受拉侧主要由外侧螺栓承受拉力（螺栓①.②，③，④）.内侧螺栓受力很小（螺栓），故设计中首先应保证外侧螺栓的强度 和安全性.
Fig. 7 Tension foree of bolts during loading 图7加载过程中螺栓的拉力
3滞回性能
加位移从±35mm逐渐增加到±150mm，加载曲线 同样采用位移加载来研究节点的滞回性能，施如图11所示.
Fig. 8 The sunken deformaties of end plate (JD1) 图8JD1端板的“内凹形”变形
此螺栓的控力保持为预紧力值几乎没有变化.中性轴附近的螺栓（螺栓）和受压侧的螺栓（螺栓）的拉力也几乎没有变化.
图11滞国加载方案Fig.11 Leading method of hysteretic loading
图12为4个节点模型在柱顶往复荷载作用下标表示柱顶位移.连接每次滞回环的最大峰值点 的滞回曲线，其中纵坐标表示柱顶水平荷载，横坐可获得滞回加载的骨架曲线.
图9JD3立柱板件的局部层曲Fig. 9Local buckllng of column plate (JD3)
骨架曲线可以比较明确表征节点的强度、延性骨架曲线的关键控制点，如表2所示. 以及耗能性能.本文依据文献[5]和文献[6]定义
图10表示4个节点模型在单向加载下的荷载位移曲线.从图中可知，JD2，JD3和JD4由于柱子 板件厚度较小，因此其初始刚度和极限承载力均小于JD1：端板厚度虽然会影响受控侧螺栓拉力的分布，但并不影响整个节点的受力性能（JD2和JD3）：
按照《建筑抗震试验方法规程）JGJ101-96的规定计算4个模型的延性系数E，如下式（见图13、
