44施工技术CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2012年7月下第41卷第369期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，窦超（清华大学土木工程系，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究了十字形端板连接节点的受力特点。
首先介绍节点在单向荷载作用下不同位置螺栓的受力情况，并通过改变节点构件的尺寸及螺栓预紧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能，研究立柱板件厚度、端板厚度及螺栓预紧力的影响。
本文的计算结果指出该节点的设计应考虑各构件之间的强度匹配，以保证节点具有足够的承载力及优良的耗能能力。
［关键词］钢结构；端板连接；有限元；静力加载；滞回性能；耗能；接触分析［中图分类号］TU318［文献标识码］A［文章编号］1002-8498（2012）14-0044-05Performance Study on End-plate Bolted ConnectionBetween Special-shaped Hollow MembersZhao Siyuan ，Guo Yanlin ，Zhang Bohao ，Dou Chao（Department of Civil Engineering ，Tsinghua University ，Beijing100084，China ）Abstract ：This paper presents mechanical characteristics of the cross-shaped end-plate bolts connection in foreign high-speed railroad station by using finite element method．Firstly ，based on the force distribution and vibration of bolts in different locations of end-plate ，different fail models of the joint are investigated by changing end-plate thickness and pre-tension load of bolts．Then ，mechanical properties of the joint under the cycle load are studied ，and effect of member plate thickness ，end-plate thickness ，and pre-tension load of bolts are involved in the analysis．The results shows that ，strength match of all parts in the joint should be considered in the design of the joint ，to make sure that the joint have an adequate bearing capacity and excellent energy dissipation capacity．Key words ：steel structures ；end-plate connections ；finite element method ；static loading ；hysteretic performance ；energy dissipation ；contact analysis ［收稿日期］2012-06-25［作者简介］赵思远，博士研究生，E-mail ：zhaosy005@163．com 0概述螺栓-端板连接节点是一种利用高强螺栓、端板将梁柱等构件拼接起来的构造方式。
由于其现场安装方便、无现场焊接、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侧板开孔以方便高强螺栓的安装，削弱了构件的强度，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。
国外某高速铁路站大厅立柱中的端板连接即采用这种连接方式。
由于该工程中柱子是由4个U 形薄壁截面组成的十字形截面，因此平齐式节点端板也为十字形，48颗M30的高强螺栓均匀布置在十字形端板的四肢中，如图1所示。
施工安装时通过立柱腹板上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。
目前大量文献对矩形端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载作用下的受力特点，以考察其静力承载力以及滞回耗能力。
1有限元模型与加载方法由高强螺栓及端板形成的拼接节点受力过程可分为2个阶段，即安装高强螺栓的预紧阶段和承受外荷载的受荷阶段。
在预紧阶段中，端板之间及端板与螺栓之间的接触面处于紧密接触状态，且能够传递法向压力和摩擦力；在受荷阶段，随着外拉2012No．369赵思远等：异形空心构件螺栓端板连接节点受力机理及性能研究45图1国外某高铁站的立柱拼接节点Fig．1The connection of column inforeign high-speed railroad 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着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困难。
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。
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）。
图2端板、螺栓和接触模型Fig．2Model of end plate ，bolts and contact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并对预紧单元施加预紧力来模拟构件的预紧过程，可用于实体单元模拟的构件。
本文采用第2种方法模拟螺栓的预紧过程，所选择的预紧单元为Prets179。
有限元模型中除了螺栓和端板采用实体单元Solid45建模外，其他板件均采用壳单元Shell181模拟。
如此建模虽然可以减小有限元单元数目、节约计算所需的时间，但面临实体单元和壳单元的连接问题。
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铰接，而并非实际情况中立柱和端板通过焊缝形成的刚性连接。
为实现端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。
有限元模型中立柱的板件和端板的材料属性均设置为理想弹塑性，10.9级高强螺栓采用三折线模型，如图3所示。
图3螺栓材料本构关系Fig．3Constitutive law of bolts加载过程分为3步：第1步，通过预紧单元Prets179为高强螺栓施加预紧力；第2步，在立柱的顶端施加轴向压力至设计值，为避免局部压力过大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。
图4有限元模型和加载示意Fig．4FEM model and loading schematic diagram2静力性能节点构造应满足“强节点，弱构件”的设计理念，换言之节点在承受单向荷载或滞回荷载时应保证高强螺栓与连接端板的失效应晚于立柱的板件破坏，因此端板的厚度、高强螺栓的强度与立柱的46施工技术第41卷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，t 表示原模型立柱中各个板件的尺寸，其中上翼缘t 1=20mm ，圆弧板t 2=16mm ，下翼缘t 3=20mm ，腹板w =20mm 。
表1节点尺寸Table 1Size of joints节点编号立柱板件厚度端板厚度/mm高强螺栓预紧力/kNJD1t 25393JD20.5t 25393JD30.5t 65393JD40.5t6510在以上4个节点模型中，JD1和JD2用于研究立柱板件厚度对节点承载性能的影响；JD2，JD3用于研究端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BSEN 20898—1所规定的10.9级M30高强螺栓预拉力值。
图6端板螺栓受力Fig．6Loading schematic diagram of end plate and bolts假设作用在柱顶的水平力沿y 方向，则传递到端板处时产生z 方向的弯矩M z （见图5）。
图5螺栓布置Fig．5Distribution of bolts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 0和端板之间的作用力N 0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 0下降至N 1。
假设端板刚度足够大而没有变形，那么受拉侧的螺栓拉力将有所增加（如图6b 中从P 0增加到P 1），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 0增加到N 2，而螺栓拉力则从P 0下降到P 3，如图6b 所示。
z 轴附近的螺栓位于中性轴附近，因而拉力变化不大。
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 z 在受拉侧完全由高强螺栓承担，其螺栓力迅速增大到P 4，受压侧的端板作用力则增加到N 3，螺栓力进一步下降到P 6，如图6c 所示。
以上分析中假设端板刚度足够大，因此受拉侧螺栓群变形几乎相同，其拉力的变形规律也近似相同，而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。
