穿心板式钢管混凝土柱-钢梁栓焊连接节点力学性能分析.pdf

文章编号：1000-4750(2023)Suppl-0136-11穿心板式钢管混凝土柱-钢梁栓焊连接节点力学性能分析林樱1，王元清1，叶全喜2，舒畅3，张枫4，王建河4(1.清华大学土木工程系，北京100084；2.燕山大学土木工程系，河北，秦皇岛066004；3.中国五洲工程设计集团有限公司，北京100053；4.深圳金鑫绿建股份有限公司，深圳518117)摘要：该文提出两种适用于窄截面钢管混凝土柱的穿心板式栓焊节点，两种节点的下翼缘和腹板采用螺栓连接，上翼缘采用焊接连接。该节点既能有效避免室内凸角的出现，又能解决全螺栓连接节点需要预留安装缝、节点刚度偏低的问题，同时具有可快速装配、方便混凝土浇筑等优点。该文阐述了节点的构造、加工及装配过程、设计原理；基于单调加载试验建立有限元模型，分析了该节点的受力过程、破坏模式、刚度和延性。结果表明：有限元模型分析结果与试验吻合较好；穿心板式栓焊连接节点的主要破坏模式为梁受压翼缘的屈曲及相邻腹板的鼓曲，节点塑性铰远离节点核心区，符合强节点弱构件的设计原理；节点属于刚性连接，具有较大的刚度和承载力、较好的延性。关键词：钢管混凝土柱；穿心板式连接；栓焊连接节点；破坏模式；节点刚度中图分类号：TG44；TU398+.9文献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.06.S031ANALYSISONMECHANICALPROPERTIESOFTHROUGHDIAPHRAGMBOLTED-WELDEDJOINTSBETWEENCFSTCOLUMNANDSTEELBEAMLINYing1,WANGYuan-qing1,YEQuan-xi2,SHUChang3,ZHANGFeng4,WANGJian-he4(1.DepartmentofCivilEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.DepartmentofCivilEngineering,YanshanUniversity,Qinhuangdao,Hebei066004,China;3.WuzhouEngineeringDesignandResearchInstitute,Beijing100053,China;4.ShenzhenGSINgreenbuildingCO.,LTD,Shenzhen518117,China)Abstract:Proposestwotypesofthroughdiaphragmbolted-weldedjoints(TDBWJs)betweennarrowconcrete-filledsteeltube(CFST)columntosteelbeam.Theboltedconnectionisusedinbottomflangeandwebofthebeam,andtheweldedconnectionisadoptedintheupperflangeofthebeam.Thejointscannotonlyeffectivelyavoidtheappearanceofexposedcornersindoor,butalsosolvetheproblemsofreservedinstallationgapsandsmallerjointstiffnessoffullboltedjoints.Thejointsalsofacilitateassemblyandconcretepouring.Thestructuraldetails,assemblyprocess,designprincipleofjointswerepresented.Inordertoinvestigatetheloadingprocess,failuremode,stiffnessandductilityofthejoints,monotonicloadingtestswerecarriedonthejoints,andthefiniteanalysiswasconductedbasedonthetests.Theresultsshowgoodagreementbetweenthetestsandfiniteelementanalysis.Themainfailuremodesofthejointsarethebucklingoftheflangeincompressionandthebulgeoftheadjacentweb,withtheplastichingesofthejointsfarawayfromthepanelzone,whichconformstothedesignprincipleofstrongjointandweakmember.Thejointscanbeclassifiedasrigidconnections,whichhavelargestiffnessandbearingcapacity,aswellaspreferableductility.Keywords:concrete-filledsteeltubecolumn;throughdiaphragmconnection;bolted-weldedjoint;failuremode;stiffnessofjoint收稿日期：2022-06-20；修改日期：2023-02-06基金项目：燕山大学基础创新科研培育项目(2021LGQN035)通讯作者：叶全喜(1984)，男，河北人，讲师，博士，主要从事装配式钢结构、具有复位功能结构方面的研究(E-mail:).作者简介：林樱(1996)，女，福建人，博士生，主要从事装配式钢结构研究(E-mail:);王元清(1963)，男，安徽人，教授，博士，主要从事结构工程研究(E-mail:wang-);舒畅(1982)，男，安徽人，工程师，硕士，主要从事结构工程研究(E-mail:);张枫(1970)，男，安徽人，工程师，硕士，主要从事结构工程研究(E-mail:);王建河(1972)，男，湖北人，工程师，本科，主要从事结构工程研究(E-mail:).第40卷增刊Vol.40Suppl工程力学2023 年 6月June2023ENGINEERINGMECHANICS136钢管混凝土结构充分利用了钢和混凝土两种材料的优点，外钢管约束内部混凝土，提高混凝土的轴压性能。作为矩形钢管混凝土柱的一种特殊形式，窄截面钢管混凝土柱可在保持截面面积不变的前提下，减小柱子截面宽度，使之与内墙厚度相近，从而有效避免传统矩形柱由于截面较大而造成的室内出现凸角、影响室内美观及空间利用率等问题，且适用于钢结构住宅。常见的钢管混凝土柱和钢梁连接节点形式有内隔板式和外环板式连接1，但由于窄截面钢管混凝土柱的截面宽度较小，与钢梁连接时，若采用内隔板式梁柱连接构造，内隔板与柱之间的焊接及钢管内混凝土的浇筑将非常困难；若采用外环板式连接构造，外环板易外露、影响美观，且用钢量较大。针对内隔板式与外环板式连接存在的问题，国内外学者提出了多种新型钢管混凝土柱-钢梁节点构造形式。按节点中传力构件与柱子的相对位置关系，主要可分为传力构件延伸至柱内和传力构件布置在柱外两种不同连接形式。在传力构件延伸至柱内的连接形式中，外荷载通过钢梁传递到传力构件，再由传力构件传递到外钢管柱的柱壁及柱内混凝土；在传力构件布置在柱外的连接形式中，外荷载通过钢梁传递到传力构件，再由传力构件传递到外钢管柱四周的柱壁。传力构件延伸至柱内的节点连接形式主要有：梁贯通式23，穿心钢棒式4，穿心板式(双侧板贯穿式5、竖向和水平穿心板式68)，穿心钢棒与穿心板混合式9，T 形件内锚式1011、内隔板单边不焊接(单边贯通或设置栓钉)式11，半内隔板式12，内嵌式侧板式13等。传力构件布置在柱外的节点连接形式主要有：外加劲肋式连接(T 型加劲肋式14、竖向加劲肋式1516)，外套筒式连接17，外贴侧板式连接18等。在以上各节点连接构造中，笔者68提出的穿心板式钢管混凝土柱-钢梁全螺栓连接节点具有施工安装快速、荷载传力路径清晰、穿心构件占钢管内面积较小方便混凝土浇筑等优点，其单调和循环试验研究表明，此类节点具有较高的承载力、较好的延性和稳定的滞回性能，是一种非常适合在窄截面钢管混凝土柱中应用的节点连接形式。但研究表明，该节点属于半刚性连接，刚度相对较小，同时为了方便施工装配，该类节点的梁和上、下盖板(水平穿心板)间需预留一定的施工缝6，目前针对施工缝的大小对节点力学性能造成的影响尚未有相关的研究。因此，本文对上述穿心板式全螺栓节点进行了改进，提出两种穿心板式钢管混凝土柱-钢梁栓焊混合连接节点，采用上翼缘焊接、下翼缘栓接的构造形式，解决了需要预留施工缝的问题、同时提高节点转动刚度。本文主要介绍穿心板式钢管混凝土柱-钢梁栓焊混合连接节点的构造和设计原理，对其进行单调试验研究，并建立有限元模型，分析了节点的承载能力、刚度、延性等力学性能，并将有限元加载结果与试验进行对比。1节点构造及设计1.1节点构造两种穿心板式栓焊混合连接节点(throughdiaphragmbolted-weldedjoint,TDBWJ)沿柱截面两个垂直方向布置，如图 1(a)所示；沿钢管混凝土柱 长 边 方 向 采 用 竖 向 穿 心 板 式 节 点(verticalthroughdiaphragmjoint,VTDJ)，其装配过程和构造如图 1(b)所示；沿钢管混凝土柱短边方向采用水平穿心板式节点(horizontalthroughdiaphragmjoint,HTDJ)，为了方便混凝土的浇筑，水平穿心板偏心布置，其装配过程和构造如图 1(c)所示。VTDJ 的装配过程：柱装配过程：柱子部分在工厂预制，两块竖向穿心板穿过柱短边的预留孔并与钢管柱焊接，上、下盖板分别与上、下竖向穿心板和钢管柱焊接，在柱短边钢梁腹板对应位置焊接一块剪切板，由此组成柱子部分；梁柱连接过程：钢梁和柱在现场进行拼装，钢梁上翼缘和上盖板通过焊接连接，并在上翼缘焊接一块加强板，钢梁下翼缘和下盖板通过高强螺栓连接，钢梁腹板和剪切板通过高强螺栓连接；在外钢管柱内部浇筑混凝土组成 VTDJ。HTDJ 的装配过程主要包括：柱装配过程：柱子部分在工厂预制，两块水平穿心板穿过柱长边与钢梁翼缘对应位置的预留孔，与钢管柱焊接，在柱长边钢梁腹板对应位置焊接一块剪切板，在下水平穿心板下方焊接一块加劲板，同时与钢管柱焊接，由此组成柱子部分；梁柱连接过程：钢梁和柱在现场进行拼装，钢梁上翼缘和上水平穿心板通过焊接连接，并在上翼缘焊接一块加强板，钢梁下翼缘和下水平穿心板通过高强螺栓连接，钢梁腹板和剪切板通过高强螺栓连接；在外钢管柱内部浇筑混凝土组成 HTDJ。工程力学1371.2节点设计节点设计原理主要包括：1)穿心板式节点的构造合理、便于施工。两个方向穿心板垂直穿过钢管柱，水平穿心板偏心穿过钢管柱，钢管内留有足够空间便于浇筑混凝土；下翼缘在现场采用螺栓连接，定位安装后进行上翼缘焊接连接，可实现快速施工装配。2)节点的传力路径清晰。穿心板将荷载传入节点核心区，梁翼缘承受大部分弯矩，梁腹板承受所有剪力和部分弯矩；穿心板、加强板和盖板的构造加强了节点核心区，使塑性铰外移，实现“强节点弱构件”。3)节点受力过程清晰。受力过程包括 4 个阶段：线弹性阶段、滑移阶段、强化阶段和破坏阶段。通过设计软件对结构进行小震弹性分析，初选梁、柱截面。节点设计中上翼缘采用对接焊接连接，为避免焊缝先于构件破坏，应满足下式：fW lwhefwth(1)fwt式中：f 为钢材抗拉强度设计值；W 为梁截面抵抗矩；lw为焊缝长度；he为对接焊缝的计算厚度；h 为梁高；为焊缝抗拉强度设计值。下翼缘和腹板采用螺栓连接，选定螺栓型号和尺寸，后确定螺栓个数。本节点设计为先滑移后屈服，同时螺栓个数要满足构造要求，下翼缘和腹板的螺栓的个数按下式确定。1)下翼缘螺栓Nbv1h1IfI(fyW)(2)2)腹板螺栓Nbv2h2IwI(fyW)(3)Nbv2 Fv=fvmin(Anw,Ans)(4)11221-12-2浇筑混凝土H型钢梁外钢管柱竖向穿心板水平穿心板(a)穿心板式栓焊节点构造外钢管柱H型钢梁H型钢梁浇筑混凝土预留孔竖向穿心板穿过预留孔与柱和盖板焊接剪切板与柱焊接柱装配过程柱装配过程梁柱连接过程梁柱连接过程高强螺栓连接剪切板和腹板高强螺栓连接盖板和下翼缘盖板与上翼缘焊接加强板与上翼缘焊接加强板与上翼缘焊接(b)VTDJ装配过程预留孔水平穿心板穿过预留孔与柱焊接加劲板与柱和水平穿心板焊接高强螺栓连接剪切板和腹板高强螺栓连接穿心板和下翼缘穿心板与上翼缘焊接浇筑混凝土外钢管柱剪切板与柱焊接(c)HTDJ装配过程图1穿心板式栓焊连接节点的装配和构造Fig.1Assemblyprocessanddetailsofthroughdiaphragmbolted-weldedjoints138工程力学3)螺栓个数Nbvi=0.9ninfPi(5)n1IfI(fyW)/(h10.9nfP1)(6)n2minIwI(fyW)/h2,fvmin(Anw,Ans)0.9nfP2(7)Nbvi式中：(i=1,2)为梁下翼缘和腹板螺栓的受剪承载力；hi(i=1,2)为上、下翼缘抵抗力矩的力臂和腹板螺栓抵抗力矩的力臂；If、Iw、I 分别为梁翼缘、腹板和梁的惯性矩；fy为钢材屈服强度设计值；W 为梁截面抵抗矩；Fv为梁腹板和剪切板的抗剪承载力较小值；fv为钢材抗剪强度设计值；Anw和 Ans分别为梁腹板和剪切板的净截面面积；ni(i=1,2)为梁下翼缘和腹板的螺栓个数；Pi(i=1,2)为梁下翼缘和腹板单个螺栓的预紧力。计算结果得翼缘采用 6 个 10.9 级 M24 螺栓，腹板采用 3 个10.9 级 M20 螺栓。2试验概况2.1试验尺寸及材性本文共设计 2 个穿心板式栓焊节点试件(VTDJ和 HTDJ)，并分别进行单调加载试验。采用的 H型钢梁，截面尺寸为170mm350mm6mm10mm，外钢管柱截面尺寸 220mm440mm12mm，节点连接中，下翼缘采用 6 个 10.9 级 M24 高强螺栓，腹板采用 3 个 10.9 级 M20 高强螺栓，上翼缘采用焊接连接，具体设计尺寸如图 2 所示；试件钢材采用 Q345 钢，根据金属材料拉伸试验第 1 部分：室温试验方法(GB/T288.12010)19进行材性试验，确定节点中不同厚度板件材性参数，如表 1所示；在钢管柱内浇灌 C40 混凝土，根据混凝土物理性能试验方法标准(GB/T500812019)20混凝土抗压强度为 42.4MPa。节点各构件在工厂B44022012B44022012220220 105 185233020025251702010 50 45220220 708080602525 170350112104233020030757070604540409035012451245303022111-12-2浇筑孔100浇筑孔100竖向穿心板545(470)10030上盖板10517014加强板1851704剪切板29510510下盖板29017012加劲肋33082103M20(10.9S)3M20(10.9S)6M24(10.9S)6M24(10.9S)焊接柱端板44022030柱端板44022030水平穿心板34517014水平穿心板53017012加强板1851704柱端板44022030H350170610H350170610(a)VTDJ尺寸1-12-2110105 18511023302002525 170透气孔20透气孔2011070808060110252517040409023302002010 50 4535011243075706045703501245124530302121焊接加劲肋190(50)1008(b)HTDJ尺寸竖向穿心板640(500)10030剪切板29510510加劲肋3308210柱端板44022030图2试件尺寸Fig.2Dimensionsofspecimens工程力学139加工完毕后均进行除锈和喷漆处理、高强螺栓连接的构件接触面均进行喷砂处理，现场高强螺栓连接按照钢结构高强度螺栓连接技术规程(JGJ822011)21的要求，使用扭矩扳手对高强螺栓施加规定的预紧力。表1试件材性参数Table1Parametersofspecimens构件厚度/mm弹性模量E/GPa屈服强度fy/MPa抗拉强度fu/MPa钢管柱12206413.11560.87竖向穿心板30204385.82536.74水平穿心板14206352.18482.21上盖板14206352.18482.21下盖板12204413.11560.87加劲肋10205393.33524.988206399.37564.26加强板4205386.85521.51钢梁6204293.03457.4710205393.33524.982.2试验装置本试验在 2000t 多功能空间加载装置进行，试验加载如图 3 所示，钢管混凝土柱顶底各安装一个可以平面内转动的柱靴装置，模拟柱子反弯点处的铰接边界条件；在加载平面内，顶部柱靴的左、右两侧各连接 1 个水平千斤顶，防止柱子顶部产生水平向的平移，柱靴顶部连接 1 个竖向千斤顶，按 0.3 倍的轴压比对柱子施加恒定轴力；下部柱靴的底部固定在地面；梁端连接作动器，用以施加位移荷载，并在梁端布置侧向约束防止梁在加载过程中发生平面外失稳。2.3加载制度本试验采用位移加载，通过作动器以 2mm/s的加载速度在梁端加载，加载点距离柱子中心距离 2330mm。每加载 5mm 暂停加载观察试件破坏状态，加载至梁端竖向荷载下降至峰值荷载的85%或节点破坏严重以无法继续承载的时候停止加载。2.4测点布置以 HTDJ 为例，试验位移计布置如图 4 所示，在梁端加载处布置竖向位移计 D1，测量加载过程中梁端的竖向位移；在柱顶平面外布置位移 D2，测量加载过程中柱顶的平面外位移，监测防止柱子发生过大的平面外位移。D1D2图4试验位移计布置Fig.4Displacementmeterslayout采用摄影测量装置测量节点的转角。以 HTDJ为例，各测点布置如图 5 所示。在与翼缘齐平的柱边缘位置布置测点 P1、P2，测量其水平位移以计算加载过程中柱子的转角；考虑到焊缝的焊接质量可靠度，在上翼缘焊缝两侧分别布置测点P3、P5，下翼缘与之对应位置布置测点 P4、P6，分别测量各点水平位移以计算连接的相对转角。3有限元模型3.1有限元建模采用 ABAQUS 有限元软件建立 VTDJ 和 HTDJ模型。模型尺寸与试验构件一致。为提高运算精作动器柱靴千斤顶千斤顶千斤顶侧向约束(a)加载装置示意图(b)加载现场图3试验加载装置Fig.3Testsetup140工程力学度和效率，以试验加载结果参考，钢梁在节点域外出现屈曲破坏的一段采用 C3D20R 单元建模，其他各构件部分采用 C3D8R 单元建立模型，在网格划分时，节点域部分的网格较为精细，其余部分较为粗略。在梁端加载处设置一个刚体模拟加载装置，加载点设置在刚体上避免模型计算时的应力集中。3.2材料本构有限元模型不同厚度的钢材本构关系参照实际材性试验参数取值，详见表 1。混凝土采用塑性损伤模型，参数选取参考文献 22 和混凝土材性试验结果。3.3约束接触关系上翼缘焊接连接，刚体和梁端的连接，水平穿心板、剪切板、加劲板和钢管柱壁焊的接连接均采用“Tie”(绑定)进行模拟；柱顶面和柱底面与其中心点采用“Coupling”(耦合)以模拟加载点；穿心板和混凝土的包裹关系采用“Embeddedregion”(嵌入)进行模拟。板件之间的接触关系中，法向设置为硬接触，切向则通过定义摩擦系数以模拟各接触面切向关系，通过试验结果中开始滑移的弯矩可计算摩擦系数。梁端加载力 F 在连接处产生弯矩 M=Fl，弯矩 M 到达螺栓抗剪承载力产生的抗滑移弯矩时，螺栓开始滑移，此时根据力矩平衡关系可计算出实际的摩擦系数，VTDJ 和 HTDJ 的有限元模型摩擦系数分别取 0.32 和 0.3。3.4边界条件及荷载两节点的有限元模型边界条件模拟试验中的约束，各边界条件和荷载都与试验相符合。在试验中柱顶和柱底的柱靴装置模拟的是铰接连接，所以在模型中柱顶释放柱子 z 方向平动和平面内转动约束，柱底释放平面内转动约束，在梁侧向加侧向约束防止平面外失稳，与试验中侧向约束装置相符，限制平面外平动和绕 Z 轴的转动，具体模型和边界条件如图 6 所示，其中 U1、U2、U3分别代表模型沿 x、y、z 坐标轴方向的平动位移，UR1、UR2、UR3分别代表绕 x、y、z 坐标轴的转动位移。荷载模拟中，首先加载螺栓预紧力；然后在柱顶施加恒定轴向力；最后在梁端按位移加载施加梁端荷载。4结果分析4.1加载现象两个节点单调加载过程如图 7 和图 8 所示，作动器在梁端向下加载，节点上翼缘受拉、下翼缘受压。P2P4P1P3 P5P6图5摄影测量测点布置Fig.5Photogrammetrymeasuringpointslayout竖向轴力 U1=U2=0,UR2=UR3=0梁端位移加载U1=0,UR3=0U2=0,UR3=0竖向轴力梁端位移加载(a)VTDJ模型(b)HTDJ模型U1=U2=U3=0,UR1=UR3=0U1=U2=U3=0,UR2=UR3=0 xyzxyzU1=U2=0,UR1=UR3=0图6节点有限元模型Fig.6FEmodelsofthejoints工程力学141VTDJ 试验及有限元的单调加载过程如图 7 所示，图7(a)为节点整体的变形状态，图7(b)和图7(c)为不同位移状态下节点试验与有限元局部变形对比。在加载位移达到 80mm 前，节点处于弹性弯曲变形状态，变形不明显；在加载位移达到 80mm时，试验状态的下翼缘开始出现屈曲，腹板出现鼓曲，此时有限元模型破坏模式与试验相似，下翼缘与腹板均开始出现屈曲；当加载位移达到 160mm时，试验状态的下翼缘屈曲严重，腹板鼓曲明显，已无法继续加载，试验停止。HTDJ 试验及有限元的单调加载过程如图 8 所示，图8(a)为节点整体的变形状态，图8(b)和图8(c)为不同位移状态下节点试验与有限元局部变形对比。在加载位移达到 90mm 时，试验状态的下翼缘开始出现屈曲，腹板出现鼓曲，此时有限元模型破坏模式与试验相似，下翼缘与腹板均开始出现屈曲；当加载位移达到 160mm 时，试验状态的下翼缘屈曲严重，腹板鼓曲明显，已无法继续加载，试验停止。两节点有限元模型破坏模式与试验的破坏模式一致，都是下盖板或水平穿心板外侧的下翼缘发生局部屈曲，腹板鼓曲严重。由于试验构件存在初始缺陷，且试验加载过程中梁端发生一定扭转，试验构件腹板和下翼缘的屈曲变形方向与有限元存在一定差异。在试验加载与有限元模拟过程中，梁上翼缘被拉长，但未出现焊缝破坏，属于延性破坏；塑性铰外移，实现了强节点弱构件的设计原则。4.2荷载-位移曲线通常，当节点中存在螺栓连接时，其受力过程中会出现滑移现象6，理论的滑移曲线为一段水平直线。节点滑移之前会保持弹性受力状态，荷载-位移曲线会呈一条斜直线；滑移之后，螺杆与螺孔顶紧挤压，节点进入强化阶段，此时曲线呈非线性增长，且斜率不断减小；节点达到最大承载力之后，进入破坏阶段，曲线将会出现下降段。穿心板式栓焊连接节点的腹板和下翼缘采用螺栓连接，其单调加载荷载-位移曲线存在小段的滑移段。两个方向节点的试验与有限元荷载-位移曲线如图 9 和图 10 所示，有限元模型所计算的曲线与试验结果曲线吻合较好。与上述分析一致，曲线下翼缘开始出现局部屈曲腹板开始出现鼓曲下翼缘屈曲明显腹板鼓曲严重(c)0 mm、80 mm、160 mm加载位移下有限元模拟局部状态(a)0 mm、80 mm、160 mm加载位移下VTDJ试验整体状态(b)0 mm、80 mm、160 mm加载位移下VTDJ试验局部状态图7不同加载位移下 VTDJ 状态对比Fig.7StatesofmonotonicloadingofVTDJ142工程力学大致可以分为 4 个阶段：线弹性阶段、滑移阶段、强化阶段和破坏阶段，各阶段对应的荷载和位移如表 2 所示。加载初期节点处于线弹性状态，曲线呈直线；节点腹板和下翼缘采用螺栓连接，螺栓开始滑移后曲线出现滑移段，但由于节点上翼缘采用焊接连接，曲线的滑移段较短；当螺杆与螺栓孔壁开始挤压后，节点进入强化阶段，此时刚度下降，曲线呈非线性增长；承载力达到最大值后出现下降段，此时为破坏阶段。由图 9、图 10 和表 2 可知：VTDJ 的整体承载力和初始刚度大于 HTDJ，竖向穿心板增大了VTDJ 在平面内的刚度，而 HTDJ 的上翼缘的约束较少，因此，HTDJ 的强化段位移增长比 VTDJ大；VTDJ 和 HTDJ 的荷载-位移曲线在加载位移为 77.92mm 和 92.03mm 时达到峰值，这与试验现象相吻合；在 VTDJ 和 HTDJ 的单调加载试验中，分别在加载位移为 80mm 和 90mm 时，翼缘和腹板开始出现屈曲，承载力下降，此后荷载-位移曲线出现明显的下降段。有限元模型与试验相比各条件较为理想，因此，线弹性段有限元模型刚度稍大于试验，滑移荷载也稍大于试验值；强化段中有限元模型的刚下翼缘开始出现局部屈曲腹板开始出现鼓曲下翼缘屈曲明显腹板鼓曲严重(a)0 mm、90 mm、160 mm加载位移下VTDJ试验整体状态(b)0 mm、90 mm、160 mm加载位移下VTDJ试验局部状态(c)0 mm、90 mm、160 mm加载位移下有限元模拟局部状态图8不同加载位移下 HTDJ 状态对比Fig.8StatesofmonotonicloadingofHTDJ020406080100120140160020406080100120140160180破坏段强化段滑移段荷载/kN位移/mm试验有限元线弹性段图9VTDJ 试验与有限元荷载-位移曲线Fig.9TestandFEload-displacementcurvesofVTDJ 试验 有限元线弹性段滑移段强化段破坏段020406080100120140160020406080100120140160180荷载/kN位移/mm图10HTDJ 试验与有限元荷载-位移曲线Fig.10TestandFEload-displacementcurvesofHTDJ工程力学143度大于试验；破坏阶段，试验过程中梁端有所扭转，试验曲线的承载力退化较缓慢。4.3弯矩-转角曲线以 HTDJ 为例，节点的受力示意图如图 11 所示，M1为下翼缘提供的抵抗力拒，M2为腹板螺栓提供的抵抗力矩，M 为梁端荷载 F 在旋转中心O 产生的弯矩。节点理想弯矩-转角如图 12 所示，节点开始进入滑移阶段的弯矩 Ms对应的转角为s；节点开始屈服的弯矩 My对应的转角为 y；节点达到最大承载弯矩 Mu时的转角为 u；R0为曲线的加载及卸载刚度。M1FM2MONv2 Nv2 Nv2 Nv1h1h2h3h4bbbb图11节点受力示意图Fig.11Forcediagramofjoint加载各阶段弯矩理论值计算与对比如表 3 所示，由于试验中钢板接触面的喷砂效果不理想，使得其实际摩擦系数小于理论值，试验和有限元滑移的荷载小于理论值；试验峰值弯矩略大于理论值，有限元峰值弯矩与理论值相近，符合设计要求。3-4破坏段2-3强化段1-2滑移段4321puR0pMuMyMsys弯矩转角R000-1线弹性段图12节点受力过程示意图Fig.12Forcediagramofeachstage节点转角为连接处上、下翼缘中心线的相对转动，一般为上、下翼缘相对水平位移与上、下翼缘中心距离的比值，而实际转角中应扣除柱子的转角23。本试验在柱边缘、焊缝两侧的梁翼缘中心对应处布置测点，测得各点的水平位移，如图 5 所示。由测点 1 和测点 2 计算得柱的转角，由于节点的柱为钢管混凝土柱，测的其节点域剪切变形非常小，可忽略不计；取焊缝两侧测得的转角取平均表2加载各阶段位移和荷载Table2Displacement-loadatdifferentstagesofmonotonicloading节点构件线弹性段滑移段强化段破坏段位移/mm荷载/kN位移/mm荷载/kN位移/mm荷载/kN位移/mm荷载/kNVTDJ试验0.0017.720.0092.9017.7221.1392.9095.3421.1377.9295.34172.4077.92159.52172.40149.27VTDJ有限元0.0015.470.0093.1515.4719.8993.1598.9419.8976.5398.94167.6776.53160.00167.67122.55HTDJ试验0.0019.150.0078.6419.1525.2678.6482.4625.2692.0382.46162.6992.03159.60162.69134.78HTDJ有限元0.0018.360.0079.8418.3622.5179.8485.1022.5197.1985.10161.2997.19160.00161.29123.11表3加载各阶段弯矩限值Table3Test-FE-theoreticallimitmomentvaluesatdifferentstages阶段MVTDJ/(kNm)MHTDJ/(kNm)M 理论计算公式M理论/(kNm)试验有限元试验有限元线弹性段190.45190.96169.86172.45Ms=6Nbv1h4+Nbv2(h1+h2+h3)202.01滑移段195.45202.83178.11183.82My=fyW229.19强化段353.42343.72351.41348.39Mu=min(Mbu,Mwu,Mp)348.43破坏段306.00251.23291.12265.920.85Mu296.17MbuMwuMbufbvfbcMwufwufbvfbcfwu注：hi(i=1,2,3,4)为螺栓形心到旋转中心 O 的距离；fy为钢材屈服强度；、Mp分别为承压型螺栓连接破坏、焊缝破坏时的抗弯承载力以及梁的塑性抗弯承载力，=min(nvd2/4，dt)n1h4，=(lwhe)h4，Mp=fuWp，其中，nv为受剪面数，d 为下翼缘螺栓直径，为下翼缘螺栓抗剪强度，t 为下翼缘和水平穿心板或下盖板的厚度之和，为下翼缘螺栓的孔壁抗压强度，为对接焊缝抗拉强度，fu为钢材抗拉强度，Wp为梁塑性截面抵抗矩。144工程力学值扣除柱转角为节点连接转角，计算式如下：=(342hbf+562hbf)12hbf(8)式中：i(i=1,2,3,4,5,6)为测点 i 的水平位移；hbf为上、下翼缘中心线的距离。计算所得转角和弯矩可绘制弯矩-转角曲线，如图 13 所示。弯矩-转角曲线的趋势与荷载位移曲线相似，符合图 12的节点理想受力曲线。0.00.20.40.60.81.01.21.41.6050100150200250300350400弯矩/(kNm)转角/(%rad)VTDJ HTDJ图13试验弯矩-转角曲线Fig.13Testmoment-rotationcurvesofjoints由如图 13 所示节点弯矩-转角曲线可知：两曲线的趋势和梁端荷载-位移曲线相似，VTDC 的初始旋转刚度与 HTDC 初始旋转刚度相近；VTDC节点滑移时的弯矩要大于 HTDC；两节点的梁尺寸一致，节点的破坏形式均是节点域外梁的下翼缘屈曲，因此两节点的极限弯矩相差不大；HTDJ的强化段变形较大，极限转角较大。4.4刚度分析弯矩-转角曲线的线弹性阶段直线段斜率为节点的初始转动刚度 R0。按照欧洲规范 EC324的评价方法对节点刚度进行评价，以转动刚度为准：名义铰接：R00.5EIb/lb；刚性连接：R08EIb/lb(无侧移框架)，R025 EIb/lb(有侧移框架)；半刚性节点：不满足和，则为半刚性连接。其中 EIb为梁的抗弯刚度，lb为梁的跨度。计算结果如表 4 所示，两节点 R0和 EIb/lb的比值均大于 25，因此 VTDJ 和 HTDJ 均为刚性节点。4.5节点延性按文献 6 中确定 y的方法，由图 12 中节点弯矩-转角曲线的几何比例关系得到 y理论值公式。根据图 13 确定 u、s数值，按式(9)计算节点延性系数：=u/y(9)延性系数计算结果如表 5所示。两节点的延性系数大于5，最大加载位移160mm(对应层间位移角7.84%)，符合AISC3411625关于特殊框架节点的性能要求。表5节点延性系数Table5Parametersofjointductility节点构件滑移阶段转角s/(%rad)屈服阶段转角y/(%rad)最大承载时转角u/(%rad)延性系数竖向穿心板式节点0.200.231.325.73水平穿心板式节点0.200.261.465.635结论通过对两个穿心板式钢管混凝土柱-钢梁栓焊连接节点的单调加载试验和有限元分析研究，可以得出以下结论：(1)穿心板式节点构造合理、便于施工，传力路径清晰，受力过程明确，适用于窄截面钢管混凝土柱，且方便混凝土浇筑，下翼缘和腹板采用螺栓连接可在现场快速装配，上翼缘采用焊接连接，可避免全螺栓节点预留缝的问题。(2)所建立的有限元模型能够较为准确地模拟节点的承载力和破坏模式，根据试验结果和有限元分析，节点的受力破坏过程包括 4 个阶段：线弹性段、滑移段、强化段和破坏段。(3)节点的水平穿心板/盖板和加强板的设置可实现塑性铰外移，破坏模式为水平穿心板/盖板和加强板外侧的梁翼缘及腹板发生局部屈曲，满足“强节点弱构件”要求，属于延性破坏。(4)两节点均属于刚性节点，其延性系数大于5，节点具有较大的刚度和较好的延性。参考文献：JGJ1382016,组合结构设计规范S.北京:中国建筑工业出版社,2016.JGJ1382016,CodefordesignofcompositestructuresS.Beijing:ChinaArchitectureIndustryPress,2016.(inChinese)1AZIZINAMINIA,SHEKARY,SAADEGHVAZIRIMA.Designofthroughbeamconnectiondetailforcircularcomposite columnsJ.Engineering Structures,1995,2表4节点刚度参数Table4Parametersofjointstiffness节点构件R0/(kNmrad1)EIb/lb/(kNmrad1)R0/(EIb/lb)竖向穿心板式节点1554455139.2530.25水平穿心板式节点1345715139.2526.18工程力学14517(3):209213.ELREMAILY A,AZIZINAMINI A.ExperimentalbehaviorofsteelbeamtoCFTcolumnconnectionsJ.JournalofConstructionalSteelResearch,2001,57(10):10991119.3SHEET I S,GUNASEKARAN U,MACRAE G A.ExperimentalinvestigationofCFTcolumntosteelbeamconnectionsundercyclicloadingJ.JournalofConstructionalSteelResearch,2013,86:167182.4童敏.双侧板贯穿式钢管混凝土柱钢梁节点抗震性能研究D.武汉:武汉大学,2013.TONG Min.Study on the seismic behavior of dualverticaldiaphragmsthroughconnectionbetweenconcrete-filledsteeltubularcolumnandsteelbeamD.Wuhan:WuhanUniversity,2013.(inChi