装配式钢管内套筒-T型件梁柱节点力学性能分析

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]。

但针对内套筒-T型件连接节点的研究几乎未见，本文结合已有矩形钢管柱与H型钢梁端板对拉螺栓连接[6]、T型件半刚性连接[7]等相关方面的研究成果，对内套筒-T型件梁柱连接节点的力学性能进行分析。

2有限元建模及加载
2.1有限元建模
采用ANSYS有限元结构分析软件对内套筒-T型件梁柱连接节点进行力学性能分析。

模型选用矩形方钢管柱和H型钢梁，柱高H=1.5m，截面规
格为□250×250×10，梁长L=1.5m，截面尺寸为HN300×150×6.5×9。

通过分别改变内套筒厚度建立4个模型。

试件编号及具体尺寸如表1所示，其中，将钢管内套筒厚度与外柱壁厚度相等的试件视为BASE试件。

表1节点编号及模型尺寸
试件编号T型件套筒厚度/mm套筒长度/mm套筒厚柱壁厚T?1TN200×200×8×13860008BASETN200×200×8×131060010T?2TN200×200×8×131260012T?3TN200×200×8×131460014
试件选用Solid92四面体实体单元建模，单元进行自由网格划分，并在内套筒等重点部位对网格进行加密细化处理。

采用各向同性的理想弹塑性材料，所有构件均选用Q345钢，钢材弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，钢材的应力-应变关系采用图2a所示的具有强化和下降段的三折线模型，高强螺栓的应力-应变关系曲线如图2b所示。

依据参考文献[8-9]中的材性试验结果，确定曲线关键点处的数值。

a—钢材应力-应变本构模型;b—高强螺栓应力-应变本构模型。

图2材料应力-应变模型
图3节点约束
2.2边界条件及加载
节点施加的约束如图3所示：对柱上下两端施加X、Y、Z三个方向的位移约束，耦合梁端加载点，并对梁翼缘施加Z方向约束防止梁发生侧向失稳。

网格划分采用自动划分网格大小，并对梁根部、内套筒等重要位置进行网格加密细化处理。

参考美国ANSI/AISC341-05《钢结构建筑抗震规范》[10]的加载制度对梁端施加位移往复荷载，加载制度如表2所示。

3节点力学性能分析
3.1BASE试件应力云图及破坏形式。