不銹鋼梁柱高強度螺栓摩擦型連接節點精細化有限元分析

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（注：本帖數值模擬部分均為原創，接觸分析一直是模擬能否計算準確的關鍵，很難收斂，在此希望本帖能對研究接觸分析的有所幫助，從中有所收獲，希望大家能夠為該帖多多支持，為該帖投上一票，不勝感激！）

1. 引言

本文目的是通過對不銹鋼梁柱高強螺栓摩擦型連接節點進行精細化有限元分析，以確定該節點破壞機制、延性以及抗震性能。為此，本文對單調和循環荷載下不銹鋼梁柱高強度螺栓摩擦型連接節點進行真實精細化數值模擬，并與試驗結果對比來驗證數值模型的準確性，在此基礎上分析不銹鋼材料非線性、梁翼緣厚度、不銹鋼高強螺栓預緊力和不銹鋼抗滑移系數對該節點破壞機制、承載力、延性以及抗震性能的影響，為合理設計不銹鋼梁柱高強度螺栓摩擦型連接節點提供依據。

2. 不銹鋼梁柱高強度螺栓摩擦型連接節點精細化有限元模型建立

如表1所示，節點中柱尺寸均為450×250×16×12，有效長度為2.3m，梁尺寸有400×150×12×8（JW-1、JC-1和JC-3）和400×150×14×8（JC-2），有效長度為1.65m，其它尺寸見圖1。節點所用不銹鋼以及不銹鋼螺栓和不銹鋼鉚釘的真實應力應變曲線通過試驗得到的名義應力應變關系得到，其主要材料參數見表2和3，泊松比均為0.3，鋼材本構在單調加載和循環加載下分別采用等向強化模型和雙線性隨動強化模型，屈服準則采用Von Mises準則。柱端施加500kN軸力，其軸壓比為0.13，柱腳固定約束。梁端平面外約束，梁端單調位移加載（JW-1）或循環位移加載（JC-1、JC-2和JC-3），循環加載方式見圖2。不銹鋼的抗滑移系數設定為0.4，不銹鋼高強螺栓預緊力為170kN，不銹鋼環槽鉚釘預緊力為205.6kN，不考慮焊縫的影響。

本章選用abaqus有限元軟件進行建模分析，螺栓或鉚釘單元為實體單元C3D8R，其余均選擇abaqus2019新開發的實體殼單元CSS8，具體有限元模型見圖3。連接板件之間的接觸和螺栓與連接板件之間的接觸選擇有限滑移的面-面接觸以保持較大的滑移。螺栓或鉚釘的預緊力通過“Bolt load”對螺栓中間面進行施加。

圖1 節點尺寸（JM-1）

圖2 循環加載方式

表1 試件主要參數

試件	柱尺寸	梁尺寸	力臂長度	螺栓種類	加載方式
JW-1	450×250×12×16	400×150×8×12	1500	不銹鋼高強螺栓	單調加載
JC-1	450×250×12×16	400×150×8×12	1500	不銹鋼高強螺栓	循環加載
JC-2	450×250×12×16	400×150×8×14	1500	不銹鋼高強螺栓	循環加載
JC-3	450×250×12×16	400×150×8×12	1500	不銹鋼環槽鉚釘	循環加載

表2 鋼材力學性能

試樣厚度 (mm)	彈性模量/MPa	屈服強度 f_y/MPa	屈服應變 ε_y/%	抗拉強度 f_u/MPa	抗拉應變 ε_u/%
8	199561	342.0	0.500	944.8	39.057
10	201794	342.1	0.462	939.2	37.535
12	203398	348.8	0.770	903.7	36.856
14	202305	341.4	0.720	903.7	36.856
16	205889	338.5	0.258	927.3	39.032

表3 螺栓和鉚釘力學性能

種類

彈性模量/MPa

屈服強度

f_y/MPa

屈服應變

ε_y/%

抗拉強度

f_u/MPa

抗拉應變

ε_u/%

螺栓

225670

469.7

0.208

1160.8

0.765

鉚釘

201285

778.7

0.387

1231.9

3.369

等向強化模型

隨動強化模型

接觸設置（板-板，板-螺栓，板-螺帽）

預緊力設置

接觸屬性（切向）

接觸屬性（法向）

節點接連部位網格劃分

圖3.png

整體有限元模型

圖3 節點精細化有限元模型

整個計算過程分為三步：第一步，對所有螺栓或鉚釘施加預緊力，施加后應力分布如圖4所示；第二步，在螺栓或鉚釘預緊力施加完成的基礎上，對柱施加軸力，施加后應力分布如圖5所示；第三步，在前兩步的基礎上，施加單調位移荷載或者循環位移荷載，應力分布如后文所述。

螺栓應力分布

腹板應力分布

蓋板應力分布

梁應力分布

圖4 螺栓預緊力施加后應力分布

圖5 施加軸力后柱應力分布

3 節點精細化有限元模型驗證

本節通過有限元模型計算的破壞形態、荷載-位移曲線、骨架曲線與試驗進行對比，驗證本章數值模型的準確性。

圖6為數值結果與試驗結果的對比。從圖中破壞形態對比可以看出，試件JW-1短梁出現屈曲而發生破壞；試件JC-1翼緣被拉斷而發生破壞；試件JC-2梁翼緣螺栓孔被拉斷而發生破壞；試件JC-3短梁翼緣被完全拉斷，翼緣過焊孔焊縫完全撕裂，試件破壞。這些數值計算的破壞形態與試驗吻合較好。從圖中荷載-位移曲線和骨架曲線與試驗結果對比可以看出，試件數值計算的梁端荷載-位移曲線、骨架曲線整體上與試驗結果吻合較好。因此，本章有限元模型可以有效而準確模擬節點在單調荷載和循環荷載下的破壞過程。

圖6數值結果與試驗結果對比

4 參數分析

本節以試件BS-JC-1為數值模型，通過有限元計算來分析鋼材材性、抗滑移系數、翼緣厚度、腹板厚度對節點靜力和循環荷載下的荷載-位移曲線的影響。對于循環荷載，其位移幅值采用靜力荷載下的屈服位移，其加載方式如圖2所示。為了方便比較，本節鋼材在單調位移和循環位移荷載下均選用雙線性隨動強化模型。

4.1 鋼材材性的影響

圖7和圖8為Q235鋼、Q345鋼和本文不銹鋼節點在靜力和循環荷載下計算結果對比。從圖中可以看出，材性對曲線的影響較大，其中不銹鋼節點的極限承載力略大于Q345鋼節點，且明顯大于Q235鋼節點。這是因為Q345鋼和不銹鋼的屈服強度以及極限強度均比Q235鋼大。這說明不銹鋼節點具有很強的工程應用價值。

圖7 不同材性下節點在單調位移荷載作用下荷載-位移曲線對

圖8 不同材性下節點在循環位移荷載作用下滯回曲線和骨架曲線對比

4.2 抗滑移系數的影響

圖9~12為不同抗滑移系數節點在靜力和循環荷載下計算結果的對比。從圖9和11可以看出，抗滑移系數對曲線的影響不明顯，其極限承載力變化不大。然而，從圖10和12可以看出，隨著抗滑移系數的增大，螺帽的相對滑移變小，變化幅度最大可達24.8%。這說明抗滑移系數是對抗滑移板件之間的相對滑動是有一定影響的。從該圖中還可以發現，當抗滑移系數在0.4及以上時，極限荷載所對應的位移變化不大，但其有減小的趨勢。這是因為抗滑移系數變大后，拼接節點剛性增強，減弱梁柱節點的轉動能力。因此，本文建議抗滑移系數控制在0.4-0.6之間比較合適。

圖9 不同抗滑移系數節點在單調位移荷載作用下荷載-位移曲線對比

抗滑移系數=0.2

抗滑移系數=0.4

抗滑移系數=0.6

抗滑移系數=0.8

圖10 不同抗滑移系數節點中相同位置螺帽在靜力荷載達到屈服位移時相對滑移分布對比

圖11 不同抗滑移系數下節點在循環位移荷載作用下滯回曲線和骨架曲線對比

抗滑移系數=0.2

抗滑移系數=0.4

抗滑移系數=0.6

抗滑移系數=0.8

圖12 不同抗滑移系數節點中相同位置螺帽在循環位移荷載達到屈服位移時相對滑移分布對比

4.3 梁翼緣厚度的影響

圖13和圖14為不同梁翼緣厚度節點在靜力和循環荷載下計算結果對比。從圖中可以看出，梁翼緣厚度對曲線的影響很大，隨著翼緣厚度的增加，其極限承載也增加。這說明梁翼緣厚度的增加能顯著提高節點的力學性能。在節點設計中，當承載力不滿足時，可考慮增大梁翼緣厚度。

圖13 不同梁翼緣厚度下節點在單調位移荷載作用下荷載-位移曲線對比

圖14 不同梁翼緣厚度下節點在循環位移荷載作用下滯回曲線和骨架曲線對比

4.4 梁腹板厚度的影響

圖15和圖16為不同梁腹板厚度節點在靜力和循環荷載下計算結果對比。從圖中可以看出，梁腹板厚度對曲線有顯著影響，其極限承載力隨著腹板厚度的增加顯著增大。這表明，增大梁腹板厚度有利于提高節點的力學性能，在節點設計中加以考慮。但是，與增大梁翼緣厚度相比，增加梁腹板厚度對節點力學性能的影響整體上劣勢一些。因此，在節點設計中，當節點承載力不滿足要求時，優先考慮增加梁翼緣厚度來增大節點承載力。