波纹腹板H型钢梁柱刚接节点静力性能
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摘要：波纹腹板H型钢能以较薄的钢板获得较高的抗剪屈曲能力，从而可以大量节约钢材。但传统的H型钢梁柱刚接节点的构造形式不适用于波纹腹板H型钢梁，为此提出了2种构造形式的波纹腹板H型钢梁柱刚接节点的构造形式。通过静力试验考察这2种节点的承载力以及各截面的内力分布，并对比了试验结果与有限元分析结果及实用设计公式的计算结果，验证了有限元分析的合理性以及实用设计公式的可靠性。使用有限元分析软件ABAQUS对节点进行了参数分析，研究了端板厚度、连接板厚度与波纹断点对节点承载力的影响。
关键词：波纹腹板H型钢；梁柱刚接节点；静力性能；试验研究；有限元方法
中图分类号：TU392.1
文献标志码：A
文章编号：1674-4764（2013）04-0047-08
波纹腹板H型钢将平腹板改为波纹腹板，从而能以较薄的腹板厚度，获得较大的平面外刚度及较高的抗剪切屈曲承载能力[1-2]，且局部承压承载力[3]和抗疲劳强度[4-6]也有所提高，因此，该类型钢具有较高的承载能力及经济优势。近年来，波纹腹板H型钢得到了广泛应用，尤其是作为多高层钢结构的主梁，具有明显的经济优势[1]。研究结果已经对波纹腹板钢构件的力学性能有了较深入的了解[7-8]，相关规程也已并投入使用[9]，但还未发现专门研究此类钢梁连接节点性能的报道。连接在钢结构中占有很重要的地位[10]，其特性直接影响钢结构的安全性、可靠性与经济性[11]。梁柱刚接节点作为多高层钢结构中的主要连接形式，其静力性能与滞回性能至关重要[12-13]。波纹腹板H型钢用作多高层钢结构中的主梁，其与H型钢柱的连接节点性能对其在多高层钢结构中的应用影响显著。由于腹板波折，传统的梁柱刚接节点的构造形式不能直接应用于波纹腹板H型钢梁与柱的连接，因此有必要针对波纹腹板钢梁，提出这种新型梁构件的梁柱刚接节点的构造形式，并进行力学性能研究。试验与有限元研究是节点力学性能研究的主要手段[14-15]，有限元软件ABAQUS在对钢结构节点的模拟中较为常用。笔者提出了2种波纹腹板钢梁与H型钢柱刚接节点的构造形式，并进行了试验研究与有限元分析，在波纹腹板H型钢梁设计方法的基础上，与传统梁柱刚接节点的设计方法对比，验证传统梁柱刚接节点的设计方法是否适用于波纹腹板H型钢梁柱刚接节点。
1节点设计
传统的多高层钢结构H型钢梁柱刚接节点的构造方式为梁翼缘与柱采用全熔透焊缝连接，梁腹板与柱采用摩擦型高强度螺栓连接 [4]。由于波纹腹板钢梁的腹板为波折形状，故不适用于这种构造做法。为解决此问题，在传统梁柱刚接节点做法的基础上，在波纹腹板H型钢梁端焊接端板，并借助高强螺栓、连接板及平腹板H型钢梁段实现梁柱的刚接。根据具体连接方式不同，分为2种构造形式，如图1所示。2种节点的梁翼缘与梁端板均通过全熔透对接焊缝焊接，波纹腹板与梁端板通过双面角焊缝焊接，节点1连接板与梁端板通过双面角焊缝连接，平腹板梁段翼缘与梁端板通过全熔透对接焊缝焊接，腹板与连接板通过高强螺栓连接，平腹板梁段翼缘与钢柱通过全熔透对接焊缝连接，腹板与柱翼缘通过双面角焊缝连接；节点2平腹板梁段翼缘与梁端板通过全熔透对接焊缝连接，腹板与梁端板通过双面角焊缝连接，连接板与柱翼缘通过双面角焊缝连接，平腹板梁段翼缘与柱翼缘通过全熔透对接焊缝焊接，腹板与连接板通过高强螺栓连接。
2试验研究
2.1构件设计
用于试验的波纹腹板H型钢型号为CWA500-200×10，即梁翼缘宽200 mm、厚10 mm，梁腹板高500 mm、厚2 mm，腹板采用的波形如图2所示。平腹板H型钢梁段的截面尺寸为520 mm×250 mm×10 mm×12 mm， H型钢柱的截面尺寸为500 mm×250 mm×10 mm×22 mm。
各节点的连接构造参数如表1所示。除高强螺栓外，所有钢材均采用Q235钢。
2.4加载试验结果
2个节点的破坏模式均为波纹腹板H型钢梁腹板整体剪切屈曲，如图5所示。节点1荷载达到140 kN左右时，荷载位移曲线进入非线性阶段，波纹腹板屈服，荷载达到165 kN时，波纹腹板发生整体剪切屈曲，承载力下降至峰值的60%左右。节点2荷载达到150 kN左右时，荷载位移曲线进入非线性阶段，波纹腹板屈服，荷载达到200 kN时，波纹腹板发生整体剪切屈曲，承载力下降至峰值的70%左右。加载过程中2节点无肉眼可见的破坏，波纹腹板与端板间的双面角焊缝无破坏，梁翼缘与端板间的坡口熔透焊缝无破坏，平腹板梁段与梁端板、柱翼缘之间的连接均无破坏。
2.4.1节点1各截面应力分布
1）波纹腹板与端板间角焊缝附近应力分布
将波纹腹板与端板间角焊缝附近的17、18、19号点所测得的剪应变与距离端板200 mm处的波纹腹板上20、21、22号点所测得的剪应变进行对比，得到如图6所示曲线。由图6可见，各点在线弹性阶段的剪应变随剪力变化基本一致，可知焊缝附近截面与梁截面的剪应力分布一致，均为沿截面均匀分布[5]。取线弹性阶段的截面平均剪应力实测值与理论值比较，如图7所示。由图7可知，焊缝附近截面在弹性阶段，腹板的平均剪应力试验值与理论值很接近，因此可以认为在波纹腹板钢梁与端板的连接中，波纹腹板与端板连接的双面角焊缝承受全部剪力，剪力沿截面均匀分布。
2.4.2节点2各截面应力分布
1）波纹腹板与端板间角焊缝附近应力分布
将波纹腹板与端板间角焊缝附近的17、18、19号点所测得的剪应变与距离端板200 mm处的波纹腹板上20、21、22号点所测得的剪应变进行对比，得到如图12所示曲线。
由图6可见，各点在线弹性阶段的剪应变随剪力变化基本一致，可知焊缝附近截面与梁截面的剪应力分布一致，均为沿截面均匀分布。取线弹性阶段的截面平均剪应力实测值与理论值比较如图13所示。
由图13可见，在弹性阶段，焊缝附近截面腹板的平均剪应力试验值与理论值接近，因此可以认为在波纹腹板钢梁与端板的连接中，波纹腹板与端板连接的双面角焊缝焊缝承受全部剪力，剪力沿截面均匀分布。
2）平腹板梁段与梁端板连接附近应力分布
在平腹板梁段与柱翼缘焊缝附近设置3个测点，剪应变与截面剪力的变化曲线如图14所示。
从图14中可以看出，平腹板上各点在荷载作用范围内仍处于弹性阶段，平腹板中点的剪应变要明显大于上下各1/4处点的剪应变。计算各点的剪应力得如图15曲线。
24号点与25号点的剪应力理论值按照公式τ=VSItw求得，从图15中可以得到，使用该公式计算出的剪应力理论值与实测的剪应力试验值符合较好。
3）连接板应力分布
在与柱翼缘连接的连接板上布置了3个应变片检测梁连接板的应力分布状况，剪应变与截面剪力的变化曲线如图16所示。
从图16中可以看出，连接板上各点在荷载作用范围内仍处于弹性阶段，连接板中点的剪应变要明显大于上下各1/4处点的剪应变。计算各点的剪应力得如图17曲线。
3有限元分析计算
采用有限元计算软件ABAQUS/Standard对节点进行了建模、分析与计算。
3.1材料特性
钢材的应力应变关系均采用双折线模型，根据材性实验得到的弹性模量、屈服强度和抗拉强度及所对应的应变建立。根据高强度螺栓制造商提供的产品质量保证书，试验中所用10.9级高强度摩擦型螺栓M16：屈服强度fby=991 MPa，极限抗拉强度取fbu=1 192 MPa，伸长率14.5%，断面收缩率52%。由于试验中测得的弹性模量值离散性很小，所有材料的弹性模量均取E=2.06×105 MPa，泊松比均取0.3。每个高强螺栓的初始预拉力根据《钢结构设计规范》（GB 50017）中规定选取，各接触面的抗滑移系数取为0.40。
3.2单元划分
在建立模型过程中，节点的所有组成部分均采用实体单元C3D8（8节点六面体二次积分单元），划分单元结果如图18所示，螺栓单元划分如图19所示。
3.3边界条件
模型边界条件与试验一致，柱在压梁部位施加位移约束，梁施加面外位移约束。
3.4分析过程
对试验进行的分析计算中，均进行位移加载。加载过程中各子步的荷载通过读取加载点节点的反力获得。高强度螺栓均施加预拉力。梁连接板与柱连接板之间、螺栓头与梁连接板之间、螺帽与柱连接板之间、螺杆与螺孔之间均创建接触对。由于接触问题为大变形问题，在创建分析步时设置几何非线性Nlgeom为on。
4结果对比及参数分析
4.1试验结果对比
对于节点1，试验测得节点极限承载弯矩为315.7 kN·m，有限元计算得到节点极限承载弯矩为344.9 kN·m。对于节点2，试验测得节点极限承载弯矩为340.3 kN·m，有限元计算得到节点极限承载弯矩为362.9 kN·m。加载点处通过实验实测的和有限元计算得到的节点弯矩转角曲线如图20所示。有限元分析的节点破坏模式与试验相同，均为波纹腹板的整体屈曲破坏，节点的破坏现象如图21所示。从图中可以看出，节点1的有限元计算结果在线性阶段与试验结果吻合较好，初始刚度、极限承载弯矩及转角比较接近，但极限承载弯矩大小存在一定误差，有限元计算的极限承载弯矩结果较试验值偏高，其原因主要是试验中由于施工误差的存在，高强螺栓预拉力及接触面可能与规定值之间存在误差，而且柱两端的转动也难以完全避免，使得试验值偏小。节点2在线性阶段初始阶段与试验结果吻合较好，初始刚度比较接近，但试验曲线较早进入非线性阶段，除与节点1试验相同的原因外，还因为试验中实测节点2的梁腹板厚薄并不完全均匀一致，局部区域腹板厚度低于2 mm，存在一定的初始缺陷，存在初始缺陷的位置腹板过早屈服，导致试验值刚度较小。
4.2参数分析
由有限元计算结果与试验结果的对比可知，有限元模型能够较精确地模拟刚接节点的受力，为了研究常用的构造端板、连接板厚度及螺栓直径是否适用于波纹腹板H型钢梁柱刚接节点及波纹板断点对波纹腹板H型钢梁柱刚接节点的力学性能的影响，因此使用有限元软件对节点1进行参数分析，参数选取见表3。其中端板厚度取值为梁翼缘厚度的0.6～1.2倍，作为常用的构造端板厚度。梁连接板厚度取值为6～18 mm，作为常用的构造连接板厚度。螺栓取M20和M16作为常用的高强螺栓。B3与B4的端板和梁连接板厚度相同，螺栓直径相同，仅改变腹板与端板焊接处波纹断点的位置，由于实际应用中波纹板断点随机，此处取极端情况波段中间点作为对比。计算结果与试验结果的对比见图22。从图22中可以得知，当端板和连接板厚度在常用构造厚度内变化，螺栓取常用直径时，模型的峰值荷载、初始刚度及达到峰值荷载时的位移没有明显变化，因此常用的端板、连接板和螺栓构造方式适用于波纹腹板H型钢梁柱刚接节点。腹板与端板焊接处波纹的位置也不影响波纹腹板H型钢梁柱刚接节点的力学性能。
5结论
进行了2个波纹腹板H型钢梁柱刚接节点的静力试验，并将试验结果与实用设计公式的计算结果进行了对比，验证了现有的实用设计公式在设计波纹腹板H型钢梁柱刚接节点时的可靠性。使用有限元分析软件ABAQUS对节点进行有限元分析，并将有限元分析结果与试验结果进行对比，验证了有限元分析结果的可靠性，在此基础上对节点进行了参数分析，研究了端板厚度、连接板厚度与波纹断点对节点承载力的影响，得到在一定范围内改变端板厚度、梁连接板厚度及改变腹板截断位置，均对节点的极限承载力、初始刚度、达到极限承载力时的位移没有明显影响。现有的实用设计公式可用于设计波纹腹板H型钢梁柱刚接节点。
（致谢：本文中试验试件由上海欧本钢结构有限公司提供，在此表示衷心地感谢。）
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