钢框架梁柱T型钢连接滞回性能的研究及设计建议

装配式钢管内套筒-T型件梁柱节点力学性能分析*摘要：为研究装配式钢框架钢管内套筒-T型件梁柱连接节点力学性能，通过改变内套筒厚度对节点进行有限元分析，对其极限承载力、荷载-位移滞回性能、耗能能力、破坏形态等进行深入研究。

结果表明：增大内套筒厚度，可以提高节点极限承载力和耗能能力，当内套筒厚度大于柱壁厚度2mm时，节点表现出良好的滞回性能；当内套筒厚度取值过大时，节点力学性能提升不明显；位移加载过程中，高强度对拉螺栓预拉力施加面的拉力值随内套筒厚度增大变化不明显。

关键词：装配式钢框架；钢管内套筒；T型件；梁柱节点；滞回性能1概述近年来，方钢管柱与H型钢梁连接而成的装配式钢框架结构体系已成为钢结构住宅的一个发展方向[1]，与H型钢柱相比，矩形方钢管柱截面惯性矩大、整体稳定性好，可以保证建筑结构室内环境的美观，方便后期装修。

目前方钢管柱与H型钢梁的连接方式主要是焊接连接，焊接增加了节点的脆性，同时施工速度慢，焊缝质量难以保证。

而采用装配式连接的钢结构与传统连接形式相比，可大量减少现场施焊工作量，有效避免焊接变形和残余应力，提高施工速度，实现安全、快捷、环保等施工建设目标。

目前方钢管柱的装配式拼接主要采用套筒连接，即预先在套筒、钢柱和钢梁等构件上留有高强螺栓孔，加工完毕的构件直接运至施工现场，通过高强螺栓进行组装，无需现场施焊，大大提高了施工速度和施工质量。

已有的梁柱节点拼接形式为外套筒连接，外套筒连接节点虽具有装配式节点的优点，但由于套筒在方钢管柱外侧，影响节点立面美观效果。

本文提出了方钢管内套筒-T型件连接的节点形式[2]，适用于低层和多层钢结构住宅，具有安装周期短、施工速度快的优点。

节点具体安装步骤如图1a和图1b，完成后的节点立面如图1c。

a—安装钢梁；b—安装上柱；c—节点立面。

图1钢管内套筒-T型件梁柱连接节点国内外学者针对方钢管柱H型钢梁节点的滞回性能开展了一些研究工作，李自林等对方钢管混凝土柱-H型钢全螺栓隔板贯通节点进行了抗震性能试验研究[3]，JWPark等对加强肋板方钢管梁柱节点的转角性能进行了试验研究[4]，EgorP.Popov等对方钢管柱在地震作用下的滞回性能和塑性能力进行研究[5]。

钢结构框架梁柱节点性能分析摘要：钢结构框架梁柱节点施工是提升建筑抗震性的主要工序，因此应优化梁柱节点的质量。

本文通过概述钢结构框架梁柱节点内容，围绕有限元模型、载荷等方面研究钢结构框架梁柱节点性能，分析多种要素对于节点性能的影响，为优化节点质量提供参考意见，提升建筑工程整体质量，突出项目结构的抗震性能。

关键词：建筑工程；钢结构框架；梁柱节点前言：钢结构具有韧性塑性强、重量轻、制造简便的优势，该模式在建筑工程中的应用可以缩短施工周期、提升抗震性能。

其中梁、柱节点是框架关键连接位置，其性能会决定框架结构在载荷基础下的整体性。

因此，有必要深入分析钢结构框架梁柱节点的实际性能，实现构件和节点的标准化设计，优化节点性能。

1钢结构框架梁柱节点概述1.1刚性连接模式其一，全焊连接。

借助融透的方式焊接梁上下翼，通过双面胶焊接腹板。

上述连接模式对于焊接技术要求较高，若操作失误会导致应力集中，对施工结构受到影响。

其二，全栓焊接。

借助T型钢，使用高强螺栓连接梁翼和柱翼，不会产生三向应力和残余应力。

其三，混合连接。

该模式包含两方面内容：一方面是利用融透焊接梁上下翼，并通过大刚度角钢连接高强螺栓，借助剪力板连接柱翼和高强螺栓。

多层钢结构中主要利用刚性连接梁柱，通过柱贯通方式连接框架柱和梁。

针对抗震部分，应确保梁翼缘厚度和加劲肋相同。

若属于非抗震区域，加劲肋的厚度应≥梁翼缘厚度的1/2，满足板件的实际宽厚比值，防止连接节点受到破坏。

1.2柔性连接模式柔性连接又称为铰接连接，在梁侧无线位移，不过可以进行自由的转动。

该模式包含承托、端板以及角钢三方面。

其中，角钢主要连接柱和梁腹板，可以借助连接板替代角钢。

端板连接模式和角钢相同，但不可替代。

利用承托连接模式连接柱的腹板时，主要将厚板当作承托构件，防止柱腹板弯矩较大，确保偏心力矩传输至柱翼位置。

2钢结构框架梁柱节点性能研究2.1构建有限元模型本课题主要借助有限元软件，依据相关学者关于连接节点的研究内容，构建建筑工程中钢框架梁的非线性节点有限元模型，分析其中力学性能的差异性，为后续工程梁柱节点连接模式提供新思路[1]。

索支撑-钢框架结构滞回性能研究*摘要：将索引入多高层钢结构，形成了耗能索支撑-框架结构，该结构体系能有效提高框架结构的抗侧能力和侧移延性及耗能能力。

通过有限元分析，研究了索支撑-框架在不同轴压比下的滞回性能。

研究了索截面面积、轴压比对结构耗能能力的影响规律，以及耗能过程中索力的变化规律。

研究表明，索支撑-框架结构具有较好的反复耗能和自复位能力，支撑框架在轴压比为0.5左右时，耗能能力最优。

索支撑可明显提高结构的抗侧刚度、侧移延性、极限承载力和有效耗能能力。

随着索截面面积的增大，结构自复位能力提高，但耗能能力并非一直提高，提出了合理的索截面面积，以确保结构在耗能能力和自复位能力间得到良好的性能点。

关键词：索支撑-框架结构；自复位；轴压比；滞回性能钢框架支撑结构与纯钢框架相比，可以有效提高结构的抗侧刚度，充分发挥轻质高强的特点，在抗震设防地区的应用具有显著的优势。

传统钢支撑在地震作用下易受压屈曲，反复屈曲将使震害加剧，使支撑部分或全部功能丧失，导致结构破坏甚至倒塌［1-2］。

为解决上述问题，国内外一些学者将高强钢索引入多高层钢结构中，形成预应力高层钢结构，改善结构的抗震性能。

如目前研究较多的自复位节点［3］、自复位墙体［4］等自复位结构。

张爱林等［5］提出在钢结构中引入预应力是实现结构震后可恢复功能的新途径，并根据预应力索的不同设置将震后可恢复功能的钢结构体系分为5种；何小辉等［6］对比研究了自复位支撑框架与普通支撑框架的抗震性能。

对于钢拉索作为预应力支撑在框架结构中的应用方面，Xingguo Hou等［7］提出了一种新的带套管节点的索撑框架，并论证了钢拉索可明显改善框架抗震性能，特别是针对大振幅震动时，索支撑可有效减小框架的层间侧移。

Temel Türker等［8］对不同支撑形式的钢框架进行了试验研究和有限元动力分析，表明索支撑形式对钢框架结构自振周期和刚度有较大影响。

唐柏鉴等［9］将预应力索与刚性支撑相结合形成封闭、自平衡的复合支撑系统，并应用到巨型钢框架中，但其研究仅针对结构抗侧能力，未研究耗能能力，也没有提出自复位功能。

钢结构梁柱T型连接节点力学性能分析钢结构梁柱T型连接节点是一种常用的连接方式，广泛应用于建筑和桥梁等领域。

在设计过程中，对该连接节点的力学性能进行分析至关重要，可以确保节点在使用过程中的稳定性和安全性。

本文将从节点的受力特点、节点的承载能力和节点的破坏机制三个方面进行力学性能的分析。

钢结构梁柱T型连接节点的力学性能受节点的受力特点影响。

在节点的受力过程中，主要包括节点受压、受拉和剪切力的作用。

节点受压和受拉力由梁或柱传递给节点，而剪切力则是由横接梁产生的。

在节点内部，通过加强筋和螺栓等连接件来承载这些受力。

因此，节点的力学性能取决于节点的材料性能和连接方式，并需要满足相应的安全强度和刚度要求。

节点的承载能力是指节点能够承受的最大力。

要分析节点的承载能力，需要考虑节点内部的受力传递机制和材料的强度。

节点内部的受力传递机制是材料的刚度和弹性恢复能力的体现，而材料的强度决定了节点的破坏载荷。

节点的承载能力可以通过计算和试验来确定。

在计算过程中，可以使用有限元分析等方法，考虑节点内部的应力分布和应变变化。

在试验过程中，可以通过加载试验来模拟实际工况，测试节点的承载能力。

节点的破坏机制也是分析节点力学性能的重要方面。

节点的破坏主要包括连接件破坏和节点整体破坏两种情况。

连接件破坏是指连接件的强度不足导致螺栓的断裂或剪切带的形成。

节点整体破坏是指节点柱或梁的破坏，通常是由于节点承载能力不足或材料疲劳引起的。

在进行节点的力学性能分析时，需要考虑连接件和节点本身的破坏机制，并采取相应的措施来提高节点的抗震性能和破坏韧性。

综上所述，钢结构梁柱T型连接节点的力学性能分析涉及节点的受力特点、节点的承载能力和节点的破坏机制。

通过对节点的力学性能进行分析，可以有效提高连接节点的设计和施工质量，确保节点在使用过程中的稳定性和安全性。

在实际工程中，应根据具体的工况和要求，选择合适的节点连接方式和优化的设计方案，以确保节点的力学性能满足工程的需求。

T型钢栓焊混接的方钢管柱—工字钢梁节点力学性能研究近年来,T型钢连接件作为钢结构连接节点中一个重要的独立构件被国内外学者广泛研究,其研究重点主要集中由T型钢所连接的节点的承载力和刚度等方面。

同时国内外众多学者针对T型钢连接件所连接组成的节点进行了大量的试验研究和模拟研究。

在这些研究中,T型钢与梁柱的连接方式主要有两种:全焊接连接和一全螺栓连接。

对于全焊接连接方式,它有两方面缺陷:一方面是此类连接形式在危险截面需要更大的强度要求,另一方面与现代钢结构框架的结构概念有关—为了满足“强柱弱梁”设计原则,会产生更大的力从而加剧应力集中问题和相应的定位问题。

由节点几何形式所造成的缺陷可以利用强度更高的材料和更好的设计所弥补,然而由结构概念有关的缺陷无法改变。

1994年Northbridge和1995年Kobe 地区的.地震所造成的大量全焊接连接的破坏已经证明了其固有缺陷。

全螺栓连接在施工工序方面又很复杂。

针对这个问题,本对新型连接形式—T 型钢栓焊混接的方钢管柱-工字钢梁连接节点形式进行分析和研究。

首先在单调加载和低周往复加载作用下分别对全尺寸连接节点进行试验研究。

利用有限元软件ABAQUS6.10对此节点建立模型并进行模拟分析,模拟结果与试验结果相验证。

在此基础上,对节点的转矩-转角曲线、破坏模式、初始刚度、屈服转角、屈服弯矩、极限转角、极限弯矩、承载力储备系数以及延性系数等方面进行了研究。

对节点的破坏形式进行了承载力计算,并得到了节点的理论承载力公式,与试验结果进行对比验证。

对节点的抗震性能通过从骨架曲线、延性系数、耗能能力、刚度退化规律和和核心区域剪切变形几个方面的分析来进行评价。

最后,针对抗震性能影响较大的几个几何参数:梁高度和T型钢腹板长度进行了影响因素分析,利用有限元模拟得到的结果对实际工程中的T型钢栓焊混接的方钢管柱-工字钢梁连接节点的尺寸给出了合理建议。

第32卷第3期土木建筑与环境工程Vo l .32No .32010年06月Jo urnal o f Civil ,A rchitectural &Environm ental Engineering Jun .2010钢框架梁柱组合节点滞回性能有限元分析石永久,王　萌,王元清,施　刚(清华大学土木工程系,北京100084)摘　要:钢框架组合节点考虑楼板组合效应后,其承载能力大幅提高,节点区刚度相应增大,可能对抗震造成不利影响。

采用通用有限元软件ABAQ US 建立非线性精细有限元模型,并对单元选取,螺栓受力行为和材料的应力应变关系及损伤模型的确定进行详细说明。

结合国内外已有的钢框架组合梁节点拟静力试验,验证了非线性有限元模型的正确性和适用性。

试验和有限元分析结果均表明:考虑楼板的组合效应之后,该类型节点的刚度和承载力均有较大幅度提高,承载力提高幅度约为26%,节点区弹性刚度提高了30%左右;在静力往复荷载作用下,该类型节点的滞回曲线较为饱满,耗能能力强,具有良好的抗震性能。

关键词:钢框架组合节点;有限元分析;滞回曲线;承载力;损伤退化中图分类号:TU391 文献标志码:A 文章编号:1674-4764(2010)03-0001-07FEM Analysis on Cyclic Behavior of Steel Frame -Composite ConnectionsSHI Yo ng -jiu ,WANG Meng ,WAN G Yu an -qing ,SHI Gang(Department of Civ il Enginee ring ,T sing hua U nive rsity ,Beijing 100084,P .R .China )A bstract :T he capacity and stiffness of the steel frames are improved sig nificantly considering slab com po site effect w hich may cause bad effects on the seismic .Efficient and accurate FEM of ABAQ US w as pro po sed fo r numerical simulatio n .A nd the selectio n of elements type s ,the material stre ss -strain relationship and damage m odel w ere made a detailed description .No n -linear finite element mo del w as approved with existing steel frame -com po site co nnectio ns quasi -static test home and abroad .It is show n that the capacity o f this ty pe co nnections is improved by nearly 26%and the stiffness by 30%.A nd this ty pe o f connections have m ore full hy steretic curve with high ene rg y -consuming ability and good seismic performance .Key words :S teel Frame -Co mposite Co nnections ,finite element analy sis ,hy steretic curve ,bearing capacity ,damage deg radatio n 在多高层钢框架中最常用的刚性连接方式即为梁翼缘与柱焊接、梁腹板与柱上耳板用高强度螺栓连接。

单边T形屈曲约束钢梁柱节点抗震性能研究钢梁柱连接节点一直是钢结构设计中的关键部位,承当着传递弯矩和剪力的作用,同时在地震中耗散能量。

而在1994年的北岭地震和1995年的阪神地震中,传统的钢梁翼缘焊接腹板栓接的节点没有如人们所预期的那样表现出足够的延性。

随后,通过众多的试验与研究,研究者们提出了一系列节点来提高钢框架的性能,包括削弱型节点和加强型节点等。

虽然这些节点都提高了钢框架的抗震性能,但它们均未提供快速方便的震后修复功能。

本文提出了一种新型的钢梁柱连接节点,在其钢梁下翼缘设置有一块T形屈曲约束元件。

需要注意的是,具有满意的耗能能力的T形屈曲约束元件在辛普森公司的强连接框架节点中已经有所研究。

相较于辛普森公司的节点和其他一些现存类型的钢框架节点,本文所研究的单边节点在震后进行检查和修复时,完全不需要移除节点上方的钢筋混凝土楼板,更不需要更换钢梁和钢柱,可实现快速便捷的震后修复。

本文共设计了 11组试验试件来调查和探讨此种节点在荷载作用下的塑性行为和可更换性能,分别研究了T形板切割工艺、切割形状、不同设计假定对节点性能的影响。

试验结果表明,合理设计的节点,在地震荷载作用下,转角可达到0.04rad以上且强度下降小于峰值强度的20%。

此外,本文对试验试件进行了ABAQUS有限元建模分析,并将模拟结果与试验结果进行对比,验证了有限元模型的准确性。

而后,通过参数分析研究了T形板腹板与钢梁翼缘间摩擦系数、T形板腹板削弱深度、防屈曲约束盖板与T形板腹板间隙以及防屈曲约束盖板厚度等参数对节点性能产生的影响。

最后,基于试验结果,本文提出了一个通过手算就能确定节点骨架曲线的计算模型。

计算模型与试验结果能够很好的符合,可以用于工程实践。

本文的试验研究中采用了辛普森紧固件公司所有的技术和产品。

辛普森公司并没有授权、资助或背书本文研究。

本研究试件中的T形耗能元件没有按照AISC 358-16第12章中对辛普森紧固件产品的相关要求进行设计、加工、测试。

第４期钢框架梁柱Ｔ型钢连接滞回性能的研究１９通过高强螺栓连接的粱柱节点属半刚性节点［２］，滞回曲线稳定饱满，具有较为理想的抗震耗能作用口１；而且其制作相对简单，现场安装施工较为方便，并克服了焊接所引起的热影响区的不利影响。

对抗震要求不是很高的多高层框架结构，采用Ｔ型钢连接节点可提高结构的抗震能力，并能缩短安装１＝期，同时降低工程造价。

但是，国内外对Ｔ型钢连接的试验研究和有限元分析都是较少的，人们对于这种连接的受力性能和破坏机理的认识还远远不足，为了寻求更有利于抗震的连接形式和减少震害，分析和研究Ｔ型钢连接的受力机理，具有重要的理论和工程意义。

本文对钢材、螺栓的强化准则采用双线性随动强化本构模型（ＢＫＩＮ），以考虑在循环荷载作用下钢材的Ｂａｕｓｃｈｉｎｇｅｒ效应，采用Ｖｏｎ－Ｍｉｓｅｓ屈服准则，同时考虑几何非线性、材料非线性和状态非线性的影响，建立承受轴力与弯矩共同作用的Ｔ型钢连接的有限元模型，并通过典型的例子［３］，验证了用ＡＮＳＹＳ对Ｔ型钢连接进行滞回性能分析的适用性和可靠性（限于篇幅不再介绍验证过程）。

作者对１８个系列共３０多个Ｔ型钢连接试件进行了有限元分析，并对计算结果做了分析和比较，主要探讨了以下参数的影响：Ｔ型钢的尺寸，柱的尺寸，粱的尺寸，螺栓的级别、直径、竖向间距和预拉力，连接抗滑移系数，材性、轴压比等。

最后，在非线性有限元分析结果的基础上，提出了钢框架Ｔ型钢连接的简化滞回模型。

１Ｔ型钢连接的滞回性能有限元分析本文Ｔ型钢连接中的板件和螺栓等实体的网格划分均采用３Ｄｓｏｌｉｄ４５单元，模型中所建立的接触均通过目标单元Ｔａｒｇｅｌ７０和接触单元Ｃ０ｎｔａｌ７４这两种单元建立接触对来考虑，在Ｔ型钢与梁、柱翼缘接触处，螺帽与梁、柱、Ｔ型钢接触处，螺栓杆与孔壁接触处建立接触单元，抗滑移系数取Ｏ．４１。

模型中螺栓预拉力的施加采用预紧单元（ＰＲＥＴＳ１７９）。

在ＡＮＳＹＳ中建立的几何模型和划分网格后的有限元模型如图１所示。