戶內(nèi)變電站鋼框架新型全螺栓連接節(jié)點力學(xué)性能研究

吳曉鳴，何宇辰，袁睿

（1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，安徽 合肥 230061；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009）

0 前言

目前，戶內(nèi)變電站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計常用鋼框架結(jié)構(gòu)，梁柱連接節(jié)點采用栓焊連接或工廠全焊接連接，現(xiàn)場安裝時存在較大的焊接工作量。近年來，建筑工業(yè)化發(fā)展理念提倡工廠預(yù)制、現(xiàn)場安裝的作業(yè)方式，在工廠里制作完成構(gòu)件，現(xiàn)場進行無焊接作業(yè)下的安裝方式，可提高安裝工作效率，且易于拆卸更換維修。

為了提高變電站現(xiàn)場安裝效率和綜合經(jīng)濟效益，借鑒美國CONXL公司鋼管混凝土框架全螺栓連接節(jié)點設(shè)計思路，設(shè)計了一種滿足國內(nèi)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》構(gòu)造要求的外環(huán)套箍鋼柱-端板連接鋼梁全螺栓連接梁柱節(jié)點，采用數(shù)值模擬方法對這種新型連接節(jié)點的力學(xué)性能進行計算分析，并提出合理的構(gòu)造建議。

1 節(jié)點構(gòu)造及尺寸

1.1 節(jié)點構(gòu)造

外環(huán)套箍鋼柱-端板連接鋼梁全螺栓連接鋼框架節(jié)點構(gòu)造如圖1所示，節(jié)點主要連接方鋼管框架柱和橫截面為H型的框架梁。根據(jù)我國現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的要求對鋼柱外環(huán)套箍與梁端套板上的螺栓間距以及具體布置進行確定，同時也確定了柱面和梁端套板尺寸。鋼柱外環(huán)套箍與柱通過焊接相連，梁端套板通過焊接與鋼梁連接，鋼柱外環(huán)套箍與梁端套板通過8顆高強螺栓連接，形成梁柱連接。

圖1 節(jié)點構(gòu)造

1.1.2 節(jié)點尺寸

鋼柱外環(huán)套箍和梁端套板的具體尺寸見圖2。其中框架柱的尺寸是采用300×300×12mm的方形截面，H型框架梁的具體尺寸是HW300×500×12×8mm。螺栓直徑為24mm，螺栓孔邊距和中心間距分別是螺栓孔徑的兩倍和三倍以上。框架梁柱以及連接套箍、套板的材料均采用Q345鋼，螺栓采用10.9摩擦型高強螺栓，螺栓的預(yù)拉力取225kN，摩擦系數(shù)采用0.4。

圖2 節(jié)點尺寸

1.2 材料參數(shù)

使用Q345鋼材的框架柱和框架梁以及連接套筒，Q345密度為ρ=7.85×10.5g/mm3，彈性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比 μ=0.3。

鋼柱外環(huán)套箍和梁端套板通過高強螺栓連接。高強螺栓密度ρ=7.85×10.5g/mm3，屈服強度fy=940MPa，彈性模量 E=2.06×105N/mm2，泊松比為μ=0.3。

1.3 單元選取網(wǎng)格劃分

1.3.1 單元選取

模型相互作用的接觸面有“硬”接觸，因此我們采用ABAQUS單元庫中的C3D8I，即八節(jié)點六面體線性非協(xié)調(diào)模式單元。考慮節(jié)點處可能存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，我們選用線性非協(xié)調(diào)單元。

1.3.2 網(wǎng)格劃分

在ABAQUS中建立節(jié)點模型，為所有部件選用八節(jié)點六面體線性非協(xié)調(diào)模式單元。在劃分網(wǎng)格時考慮精度和運行速度的問題，對部件不同部位分別劃分網(wǎng)格。鋼柱外環(huán)套箍和梁端套板網(wǎng)格劃分較細(xì)，其他部位網(wǎng)格劃分較為稀疏，整個節(jié)點的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 節(jié)點處網(wǎng)格劃分

1.4 接觸問題

接觸問題是有限元模擬必須解決的非線性問題，在梁端低周期位移荷載作用下，不同部件的接觸問題都比較復(fù)雜，需要進行多次迭代計算。本模型中主要考慮以下三組接觸對，分別是鋼柱外環(huán)套箍和梁端翼緣套板之間，螺栓桿與孔壁以及螺帽與梁端翼緣套板。將剛度較大接觸面定義為主表面，剛度較小的接觸面定義為從表面，如圖4所示。

圖4 接觸設(shè)置情況

2 節(jié)點破壞模式

計算得到節(jié)點在低周期反復(fù)位移荷載作用下的受力過程如圖5所示。隨著荷載的不斷增大，梁端套板發(fā)生變形。螺栓是連接梁端套板和鋼柱外環(huán)套箍，梁端套板變形逐漸增大，導(dǎo)致螺栓發(fā)生一定程度的滑移，并且與螺栓相連的鋼柱外環(huán)套箍也發(fā)生彎曲變形，最終梁端套板與鋼柱外環(huán)套箍發(fā)生部分滑移脫離。

圖5 試件破壞形式

從應(yīng)力圖可以看出，框架柱的最大應(yīng)力發(fā)生在柱面與鋼柱外環(huán)套箍連接處，應(yīng)力最大不超過250MPa，框架柱未發(fā)生屈服，并且應(yīng)力有向四周減小趨勢。梁端套板上最大應(yīng)力集中在套板與鋼梁的連接處，應(yīng)力路徑沿著45。方向逐漸減小。應(yīng)力最大已經(jīng)高達(dá)428MPa，連接處發(fā)生局部屈服；在鋼柱外環(huán)套箍上，邊距螺栓孔周圍的應(yīng)力明顯大于中間螺栓孔周圍的應(yīng)力，柱面上套板的應(yīng)力大于柱面下套板的應(yīng)力。原因是靠近柱子的螺栓承受的來自梁端的位移荷載更大，導(dǎo)致螺桿的滑移變形更加明顯，使得與螺桿相連接的鋼柱外環(huán)套箍產(chǎn)生較大壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力高達(dá)412MPa，出現(xiàn)局部屈服現(xiàn)象。螺栓桿與螺栓孔壁接觸導(dǎo)致螺栓受剪，承受較大的剪應(yīng)力，螺栓最大應(yīng)力為985MPa，出現(xiàn)局部屈服。

3 影響參數(shù)分析

通過改變柱壁厚度、梁端翼緣套板厚度這兩個參數(shù)，通過有限元模擬研究這兩個參數(shù)對本文所做節(jié)點的力學(xué)性能方面的影響。為達(dá)到研究目的，共設(shè)計兩類6個節(jié)點試件模型，每個節(jié)點模型的具體尺寸見表1以及表2。

3.1 柱壁厚度參數(shù)影響分析

我們設(shè)計了3組不同柱壁厚度節(jié)點試件JZ-1、JZ-2、JZ-3，具體尺寸如表1所示。

表1 JZ試件設(shè)計參數(shù)

圖6為3個不同柱壁厚度試件在低周反復(fù)荷載作用下應(yīng)力云圖。由圖6可得，當(dāng)增大框架柱的柱壁厚度，節(jié)點處的最大應(yīng)力區(qū)域面積有減小的趨勢。鋼梁上最大應(yīng)力集中于鋼梁與節(jié)點連接處，此處的應(yīng)力強度較大，超過了材料的屈服強度導(dǎo)致破壞。仔細(xì)對比這三幅圖可得，增加柱壁厚度可以降低節(jié)點處應(yīng)力，并改變節(jié)點最大應(yīng)力位置。即隨著柱壁厚度的增加，柱剛度提高，破壞位置有向鋼梁移動的趨勢。

圖6 JZ系列節(jié)點應(yīng)力云圖示意

圖7為JZ系列試件的梁端荷載-位移曲線圖。從整體上觀察這三組圖形可以發(fā)現(xiàn)，三組試件的滯回曲線圖均比較扁，不是很飽滿。從整體上觀察，這三個滯回曲線圖的變化趨勢基本相似；從JZ-1到JZ-3隨著增大柱壁厚度，荷載-位移曲線圖越來越飽滿，并且下降階段第三組的斜率小于第一組和第二組，表明增大柱壁厚度能夠有效提高試件的抗震性能，提高節(jié)點的延性，減緩節(jié)點剛度退化速度。

圖7 JZ系列節(jié)點梁端荷載-位移曲線

圖8為JZ系列試件在低周期反復(fù)荷載作用下的梁端骨架曲線圖。觀察圖形可得，三組試件在剛開始加載階段的荷載-位移曲線圖基本重合，表明三組試件初始彈性剛度基本相同。隨著位移荷載不斷增加，當(dāng)加載到50mm左右時，觀察圖形可得，荷載-位移曲線的斜率逐漸降低，節(jié)點進入彈塑性階段。隨著位移荷載繼續(xù)增加，當(dāng)荷載達(dá)到130mm時，三組試件均已達(dá)到極限強度。比較三組極限承載力可得，第二組和第三組試件的極限承載力相較于第一組分別提高2.76%和2.63%。隨著位移荷載的持續(xù)增加，試件由彈塑性階段進入破壞階段，由圖中三條曲線的走向可知，JZ-3組試件的承載力下降速率相對于其他兩組較低，說明增加柱壁厚度這一因素是降低節(jié)點剛度退化曲線的重要措施。綜上所述，通過對比三組試件有限元模擬結(jié)果，為了提高極限承載力和降低剛退退化曲線速率，選擇截面高厚比為25左右的框架柱較好。

圖8 JZ系列節(jié)點梁端骨架曲線

3.2 梁端翼緣套板厚度影響分析

改變梁端套板尺寸設(shè)計了JJ組試件，并以JJ-1、JJ-2、JJ-3命名，具體尺寸如表2所示。

表2 JJ試件設(shè)計參數(shù)

圖9為JJ系列試件在低周反復(fù)位移荷載作用下應(yīng)力云圖。從圖9可得，當(dāng)增加梁端翼緣套板厚度時，節(jié)點相連處，梁端套板與鋼柱外環(huán)套箍的連接更加緊密，兩者的位移形變減小，與鋼柱的接觸更加充分，梁端翼緣套板與鋼柱外環(huán)套箍的連接增強，整體剛度增大,試件節(jié)點域的屈曲程度和應(yīng)力都逐漸增大。說明增大梁端翼緣套板厚度能夠加強節(jié)點的強度和穩(wěn)定性。

圖9 JJ系列節(jié)點應(yīng)力云圖示意

圖10為JJ系列試件的滯回曲線。由此滯回曲線可得，JJ系列節(jié)點的滯回曲線整體較扁，不夠飽滿，呈現(xiàn)梭形無捏縮形象。從整體上觀察，這三個滯回曲線圖的變化趨勢基本相似，隨著梁端套板厚度的增加，滯回曲線往更加飽滿的趨勢發(fā)展，表明增加梁端套板厚度可以有效提高節(jié)點的抗震性能。并且，隨著梁端套板厚度增加，節(jié)點極限承載力也在緩慢上升。

圖10 JJ系列節(jié)點梁端荷載-位移曲線

由圖11可得，試件JJ-1～JJ-3的極限承載力分別為 220.6，229.7，233.1kN，JJ-2和 JJ-3與 JJ-1相比分別提高1.32%，5%。進入破壞階段，3個試件承載力下降速率基本相同。從整體上看，增大梁端套板厚度，能夠明顯提高試件的極限承載力。

圖11 JJ系列節(jié)點梁端骨架曲線

4 結(jié)論

利用有限元軟件模擬低周期反復(fù)荷載作用外環(huán)套箍鋼柱-端板連接鋼梁全螺栓連接鋼框架節(jié)點的受力性能，通過分析可得：

①外環(huán)套箍鋼柱-端板連接鋼梁全螺栓連接鋼框架節(jié)點因其構(gòu)造原因?qū)е缕茐陌l(fā)生在梁端與節(jié)點交界處附近。

②增加柱壁厚度能在一定程度上增加節(jié)點的極限承載力，并從滯回曲線中得出柱壁厚度的增加能提高節(jié)點的抗震性能和降低其剛度退化速度。

③梁端翼緣套板厚度對節(jié)點的滯回性能有一定的影響，能明顯提高節(jié)點極限承載力以及抗震性能。