满装大跨空间钢结构预应力高强螺栓连接节点性能研究
刘廷勇1,2 张爱琳1 李久琳2
1.北京工业大学城市建设系
2、北京城建集团有限公司
刘廷勇，张爱琳，李久琳。满装大跨空间钢结构预应力高强螺栓连接节点性能研究[J].工业建筑，2024，54(8)：44-53。
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概括
创新的全预制大跨预应力钢结构体系是其智能化建造的基础。构建预应力高强螺栓连接节点，研究关键参数对节点性能的影响。采用ABAQUS有限元软件建立接头有限元模型，通过试验结果与接头弯曲性能数值模拟结果对比，验证接头模型的准确性和可靠性。在此基础上，设计了54组接头算例，对影响接头拉压性能的各种因素进行了参数化分析，提出了接头拉压设计方法。结果表明，增加圆盘厚度可以显着提高接头的拉伸/压缩性能；减少开口角钢的厚度可以适当增加接头的拉伸屈服载荷，但会降低接头的极限压缩载荷；接头的极限拉/压载荷均随着穿孔十字板厚度的增加而增加；套筒高度的变化对接头的拉伸/压缩性能影响很小；增加初始预紧力可以增加接头的初始拉伸刚度，但会降低其初始压缩刚度。
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介绍
随着北京夏季奥运会、冬季奥运会、上海世博会等大型赛事和活动的举办，我国空间结构取得了长足的进步，建筑结构体系创造了多项世界纪录。然而，全装配式大跨度空间结构体系的研究仍处于起步阶段[1-3]。装配式大跨度空间钢结构的研发是推进大跨度空间结构建筑智能化建设的基础。因此，有必要开发承载能力强、抗弯刚度高、易于装配的新型连接节点及其全装配式空间钢结构系统[4]。目前，装配式空间结构中使用的连接节点主要有螺栓球接头、碗形接头、嵌入式轮毂接头、销轴接头、螺栓端板接头等[5-9]。为了揭示各类接头的工作原理，相关学者对常用连接节点的力学性能进行了系统研究：Lee等。 [10-11]对四种不同尺寸的螺栓球接头进行了拉伸、压缩和弯曲试验研究。 ，得到了不同应力状态下螺栓球接头的承载性能和失效模式。艾哈迈迪扎德等人。 [12]对碗型接头进行了双轴试验研究，分析了双轴应力下的节点载荷-位移曲线和失效模式。结果表明，节点变形对构件的承载能力、结构的整体刚度和极限都有影响。承载力有很大的影响。安德拉斯等人。文献[13]对端板接头力学性能进行了研究，提出了端板接头强化及偏心校正方案。结果表明，加强和改进节点可以显着提高结构的屈服载荷和极限承载力。随着新型装配式空间结构的不断出现，与之相匹配的新型连接节点的力学性能研究成为热点。马等人。 [14]提出了一种新型齿形接头。他们采用理论分析、数值模拟和实验验证相结合的方式，对接头的抗弯性能进行了研究。他们揭示了接头的受力特性，并证明新接头具有高阻力。弯曲刚度和承载性能。陈伟刚等.文献[15]对剪力和弯矩作用下铝合金板节点的静力性能进行了研究，得到了铝合金板节点的破坏形式和静力特性，并对垂直于主力方向的环槽进行了验证。铆钉处于剪应力状态，但由于不锈钢强度高，没有发生铆钉损坏。
目前，对于常用连接节点的静力性能（如弯曲性能、承载性能、失效模式等）已形成较为成熟的研究体系。但常用的连接节点一般抗弯刚度较低，多用于中小跨度的预制网络。框架结构和网壳结构。基于此，现有连接节点难以满足新型大跨装配式脊杆环支撑索穹顶节点的连接要求[4]。为此，本文提出一种新型连接节点——预应力高强螺栓连接节点。利用ABAQUS有限元软件建立接头有限元模型，并对接头弯曲性能进行数值模拟研究。通过试验结果与数值模拟结果的对比，验证了联合有限元模型的准确性。在此基础上，进一步分析了圆盘厚度、穿孔十字板厚度、穿孔角钢厚度、套筒高度以及初始预紧力变化对接头拉压性能的影响，提出了接头拉压设计方法，为接头拉压设计提供了依据。为其工程应用提供参考。
01
节点建设
预应力高强螺栓连接节点由穿孔角钢部分、穿孔十字部分和连接装置三部分组成（图1）。冲孔角钢部分与冲孔十字部分采用高强螺栓连接，冲孔角钢部分为预应力筋、锚杆与刚性脊杆连接。这种新型节点可用于连接不同截面形式的杆件，可改造刚性脊柱杆件的受力方式，还可实现工厂化生产。大大降低了现场施工难度，提高了施工速度，节省了人力、物力、财力。
图1 预应力-高强螺栓连接节点示意图
02
测试介绍
为了研究盘厚度对预应力高强螺栓接头弯曲性能的影响，开展了三组接头试验研究[16]（试件编号为TY-1、TY-2、TY-3） 。关键节点设计参数见表1、图2。预应力钢筋采用镀锌钢绞线，型号为1×7-18.9，长度为1600 mm。规定非比例延伸力为352 kN，最小破断拉力为434 kN；高强度螺栓选用强度等级为S10.9的M20高强度螺栓。
表1 节点设计尺寸 mm
图2 试件详图mm
试验加载装置如图3所示，水平千斤顶一端通过加载连接装置与试件加载端铰接，另一端与自平衡反应架铰接；试件通过12根S10.9 M40高强螺栓锚固钢结构连接螺栓焊接，两端锚固于自平衡反力架水平方向。
图3 试验加载装置
试验采用单调加载的位移控制方法。加载系统参照JGJ/T 101-2015《建筑物抗震试验规程》[17]。当节点承载力降至极限承载力的85%以下或节点发生较大塑性变形时，施加荷载。停止。以镀锌钢绞线规定非比例延伸力的40%作为初始预应力值，通过YCD22-500/50张拉锚固设备施加初始预应力。 S10.9 M20高强螺栓预紧力为155 kN，用扭矩扳手施加。
利用参考文献[14]中节点弯矩-曲线特征值的定义，确定该节点的初始弯曲刚度（Sj.ini）、屈服载荷（Minf）和极限载荷（Msup）（图4），其中初始弯曲刚度值（Sj.ini）取节点加载初始阶段的曲线切线刚度值。
Sj.pl表示极限载荷对应的节点弯曲刚度； KR表示极限载荷与屈服载荷之差。
图4 节点弯矩-转角曲线特征值图示
试验得到的节点弯矩-转角曲线如图5所示，曲线特征值如表2所示。试验结果表明：1）盘片厚度对弯曲性能有显着影响新的连接节点。随着圆盘厚度的增加，节点的初始弯曲刚度（Sj.ini）、屈服载荷（Minf）和极限载荷（Msup）增加。 ;2）节点弯矩-转角曲线表现出明显的非线性特征，节点具有较大的变形能力。
图5 不同盘厚的节点弯矩-转角曲线
表2 不同圆盘厚度的节点弯矩-扭矩曲线特征值
03
有限元模型的建立与验证
3.1 模型建立
利用ABAQUS有限元软件建立了新型连接节点有限元模型，如图6所示。模型中的关键参数和构造细节与试件相同。预应力筋使用桁架单元 (T3D2) 建模，加载连接装置和锚固板使用刚体单元 (R3D4) 建模，其余节点使用实体单元 (C3D8R) 建模。
图6 节点有限元模型
考虑节点材料和几何非线性的影响，高强螺栓采用三折线本构模型，预应力筋采用线性本构模型，节点其余部分采用双折线本构模型，见图7.各本构模型中关键参数的取值可参见参考文献[16]。
图7 应力-应变曲线
节点有限元模型中使用两种接触关系：表面-表面接触和Tie接触。面接触用于模拟孔角钢与孔横板、螺母与孔角钢、螺杆与孔壁、外套筒与刚性脊杆之间的接触。节点的其余触点都是 Tie 触点。节点锚定端采用固定约束；加载端仅释放沿X轴的水平自由度和绕Y轴的旋转自由度。
经过多次优化计算，确定了模型中各单元的尺寸。开口十字部分和开口角钢部分的网格尺寸设置为7 mm，高强螺栓网格尺寸设置为5.5 mm，刚性脊柱杆网格尺寸设置为7 mm。为 20 mm，模型中其余组件的网格种子大小设置为 10 mm。另外，利用ABAQUS自带的Bolt Load命令施加高强螺栓的预紧力，通过冷却的方式施加预应力筋的初始预紧力。
3.2 模型验证
图8为试验与数值模拟得到的节点弯矩-转角曲线对比。表3给出了试验和数值模拟得到的节点弯矩-转角曲线的特征值。从图8和表3可以看出： 1）数值模拟与实验得到的节点弯矩-转角曲线具有相同的变化规律，在加载初期呈现线性变化，在加载初期呈现明显的非线性特征。后期加载； 2）数值模拟与实验得到的曲线 曲线特征值吻合程度较高，初始弯曲刚度最大误差为3.9%，屈服载荷最大误差为3.2%，塑性极限载荷最大误差为6.9%。综上可见，数值模拟结果具有较高的精度，验证了所建节点模型的准确性和有效性，证明所建节点模型能够准确模拟节点受力过程，为参数化研究奠定基础。节点力学性能。另外，由于建模时将开孔十字板与圆盘设置为一个整体，且计算分析时考虑了单元的大变形，因此数值模拟得到的节点弯矩-转数曲线不存在下降段在加载后期。
图8 弯矩-转角曲线对比
表3 弯矩-转角曲线特征值比较
04
接头拉压性能数值模拟研究
基于已验证的节点有限元模型，仅改变节点加载方向，进一步研究圆盘厚度、穿孔横板厚度、穿孔角钢厚度、套管高度和初始预紧力对接头拉压性能的影响。影响规则。
4.1 计算实例设计
设计54组接头模型算例（表4），对接头拉压性能进行数值模拟研究。表中初始预紧力分别为规定的预应力筋非比例伸力的20%、40%和60%。
表4 节点设计参数
4.2 接头拉伸性能研究
4.2.1 拉伸载荷-位移曲线研究
以初始预紧力为预应力筋非比例拉伸力的40%为例，给出了不同圆盘厚度、穿孔十字板厚度、穿孔角钢厚度和套管高度得到的节点拉力荷载-位移曲线如图 9 所示。
图9 节点拉力载荷-位移曲线
从图9可以看出： 1）除试件TY-1外，其他试件的拉伸载荷-位移曲线均呈现7折线变化，即弹性阶段I，折线的拐点对应初始预紧值；弹性阶段II，折线的拐点对应高强螺栓的摩擦阻力值；螺栓滑移阶段III；弹性阶段IV，折线拐点对应节点屈服荷载；产量阶段V；加强第六阶段和失败第七阶段； 2) 试件TY-1的拉伸载荷——位移曲线呈6折线变化。原因是圆盘厚度较小，导致加载后期节点产生较大塑性变形。预应力筋尚未达到拉伸屈服，因此曲线缺少第七阶段的破坏； 3）圆盘的厚度对节点的抗拉强度有负面影响。性能有重大影响。随着圆盘厚度的增加，节点的屈服载荷和极限载荷显着增加。但当盘厚度td≥20mm时，其对节点拉伸性能的影响逐渐减小； 4）开口角钢的厚度仅在屈服阶段对接头的拉伸性能影响较大。随着穿孔角钢厚度的减小，接头的屈服载荷逐渐增大； 5) 穿孔十字板的厚度仅影响加固阶段接头的拉伸性能。随着穿孔交叉板厚度的增加，接头拉伸性能增加。极限载荷略有增加； 6）套筒高度对节点拉伸性能影响较小，可忽略不计。
从节点的受力状态可以看出，在没有施加外载荷的情况下，刚性脊柱在初始预紧力的作用下处于压缩状态。随着轴张力的增加，刚性脊柱逐渐从压缩状态转变为零应力状态。加载初期，刚性脊柱杆在轴向拉力的作用下释放部分内力，释放的内力方向与施加的轴向拉力方向一致。因此，在两者共同作用下，节点曲线初始斜率较大，出现弹性阶段I。当施加的轴拉力增大到初始预紧设计值时，刚性脊柱不再释放内力，但节点仍处于弹性阶段，因此节点曲线仍呈线性变化，但曲线斜率减小，出现弹性第二阶段。
由于初始预紧力对各试件的拉伸载荷-位移曲线的影响相同，因此本文仅以试件TY-3为例进行说明。图10为TY-3试件不同初始预紧力时的拉伸载荷-位移曲线。从图中可以看出： 1）不同的初始预紧力对节点屈服载荷和极限载荷影响较小，但随着初始预紧力的增大，节点的拉伸变形能力显着下降； 2）随着初始预紧力的增大，加载初期接头的双弹性截面的拉荷载-位移曲线逐渐减弱。当初始预紧力达到60%时，预应力筋呈非比例状态。当力延伸时，节点的双弹性相近似消失。
图10 不同初始预紧力下TY-3的拉伸载荷-位移曲线
4.2.2 拉伸刚度研究
拉伸刚度是连接节点抵抗拉伸变形能力的重要指标。根据各试件的拉伸载荷-位移曲线，研究了各种影响因素对接头拉伸刚度的影响。
以施加的初始预紧力为预应力筋非比例伸力的40%为例，不同影响因素得到的节点刚度退化曲线如图11所示。
图11 节点拉伸刚度退化曲线
从图11可以看出： 1）接头拉伸刚度退化曲线近似“L”形，随着接头拉伸变形的增大，接头拉伸刚度逐渐减小； 2) 接头初始拉伸刚度随穿孔十字板或穿孔角钢厚度的变化而变化。厚度的增加导致略有改善，盘厚度或套筒高度的变化对节点的初始拉伸刚度影响不大。
以TY-3试件为例，说明初始预紧力对节点刚度退化曲线的影响。其他标本相同，不再详细描述。图12为TY-3试件节点在不同初始预紧力下得到的刚度退化曲线。从图中可以看出，当初始预紧力不同时，节点刚度退化曲线仍呈“L”形变化。增大初始预紧力不仅可以提高节点的初始拉伸刚度，而且可以有效提高节点塑性阶段的拉伸刚度。
图12 TY-3在不同初始预紧力下的拉伸刚度退化曲线
4.3 节点压缩性能研究
4.3.1 接头压缩载荷-位移曲线研究
以初始预紧力为40%的预应力筋非比例拉伸力为例，不同盘厚度、穿孔十字板厚度、穿孔角钢厚度和套管高度得到的节点压缩荷载-位移曲线为如图13所示。
图13 节点压缩载荷-位移曲线
从图13可以看出： 1）除试件TY-1外，其他试件获得的压缩载荷-位移曲线均出现了6倍的变化，即弹性阶段I、螺栓滑移阶段II、弹性阶段III，和产量阶段IV。 ，强化第五阶段，破坏第六阶段。 TY-1试件得到的压缩载荷-位移曲线呈三段折线变化，即弹性阶段I、屈服阶段II和破坏阶段III； 2）圆盘厚度对接头的抗压性能有显着影响，接头随圆盘厚度的增加而增大。屈服载荷和极限载荷均显着增加。当盘厚度td≥20 mm时，节点屈服荷载变化不大，但节点极限荷载仍显着增加； 3）冲孔角钢的厚度和冲孔十字板的厚度只有在强化阶段才重要。对接头抗压性能的影响是显着的。随着两者厚度的增加，接头极限载荷也随之增加。当穿孔十字板厚度tc≥20mm时，其对接头抗压性能的影响逐渐减小； 4)套筒高度的变化对接头的抗压性能有影响。影响很小，可以忽略不计。
由于初始预紧力对各试件压缩载荷-位移曲线的影响相同，故仅以试件TY-3为例进行说明。图14为TY-3试件在不同初始预紧力下的压缩载荷-位移曲线。从图中可以看出： 1）不同的初始预紧力对TY-3试件的压缩载荷-位移曲线影响不大，节点屈服载荷和极限载荷不随初始预紧力的增大而增大。
图14 TY-3在不同初始预紧力下的压缩载荷-位移曲线
4.3.2 抗压刚度研究
根据每个试件获得的压缩载荷-位移曲线，进一步研究了各种影响因素对接头压缩刚度的影响。图15为初始预应力为预应力筋非比例伸力的40%时，不同圆盘厚度、穿孔横板厚度、穿孔角钢厚度和套管高度得到的节点抗压刚度退化曲线。
图15 节点抗压刚度退化曲线
从图 15 可以看出： 1）除试件 TY-1 外，其余试件的节点抗压刚度退化曲线均呈四折线变化，试件 TY-1 的节点刚度退化曲线呈双折线变化。 -线; 2）圆盘的厚度对节点的抗压刚度有显着影响。随着椎间盘厚度的增加，节点的抗压刚度显着增加； 3) 穿孔十字板的厚度和穿孔角钢的厚度仅对节点的初始抗压刚度有显着影响。随着穿孔角钢厚度和穿孔十字板厚度的增加，接头的初始抗压刚度逐渐增大。但当穿孔角钢厚度大于10mm或穿孔十字板厚度大于20mm时，其对节点抗压刚度的影响逐渐减小； 4）套筒高度对节点抗压刚度的影响很小，可以忽略不计。
施加初始预紧力使接头抗压刚度退化曲线变为四折线或双折线。原因是：加载初期，刚性脊柱在轴压作用下被压缩并释放部分预压力，抵消了轴压作用，因此节点的初始抗压刚度增大；当轴向压力增大到高强螺栓的摩擦阻力值时，高强螺栓发生滑移，接头刚度退化曲线呈现下降段；此后，随着轴向压力的增加，螺钉和穿孔十字板受到挤压，接头抗压刚度略有增加，接头刚度退化曲线再次呈现上升段；随着轴压继续增大，节点进入塑性阶段，节点抗压刚度退化曲线再次出现下降段。由于试件TY-1中圆盘厚度较小，在高强螺栓滑移之前圆盘就发生变形，因此节点刚度退化曲线呈双线变化。
以TY-3试件为例，分析了初始预紧力对接头抗压刚度退化曲线的影响。其他标本类似，不再详细描述。 TY-3试件在不同初始预紧力下的刚度退化曲线如图16所示。从图中可以看出，随着初始预紧力的增大，节点的初始抗压刚度逐渐减小。原因是施加较大的初始预应力降低了刚性脊杆的变形抗力，刚性脊杆在轴压作用下首先屈服，因此节点的初始抗压刚度减小。
图16 不同初始预紧力下TY-3抗压刚度退化曲线
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节点拉伸/压缩设计方法
GB/T 50011-2010《建筑抗震设计标准》[18]规定，构件设计时必须遵循“强节点、弱构件”的设计原则。为此，在对新型连接节点进行拉压设计时，提出了“强连接、弱构件”的设计原则。基于新型连接节点拉压性能的数值模拟结果，提出了节点拉压设计方法：
1）轴拉力F或轴压N的确定。根据新型结构体系在极限承载能力状态下的受力特性，计算各预应力脊杆承受的最大轴拉力F或最大轴压N。
2）预应力筋和锚杆的选择。当轴向拉力F确定后，根据预应力脊杆安装的预应力筋数量计算单根预应力筋的最小破断拉力，如式（1）所示：
式中：Pr表示单根预应力筋的最小破断拉力值； n表示预应力筋的数量。
单根预应力钢筋的最小破断拉力确定后，选择符合要求的预应力钢筋和支撑锚栓。
3）穿孔横板断面和穿孔角钢断面的初步选择。当杆件所承受的最大轴向拉力F或轴向压力N确定后，即可确定冲孔十字板和冲孔角钢的初始截面尺寸。穿孔十字板的初始截面尺寸必须满足式（2）的要求，穿孔角钢的初始截面尺寸必须满足式（3）的要求。
式中：σc为冲孔十字板净截面的最大应力值； Acn表示冲孔十字板的净截面积； f表示材料的拉伸或压缩强度设计值。
式中：Aan表示单根开口角钢的净截面积； σn代表单个开角钢截面的最大应力值。
4）选择高强度螺栓类型和数量。最初选择穿孔横板和穿孔角钢的横截面尺寸后，将根据高强度螺栓需要满足的结构和应力要求确定高强度螺栓的类型和数量。本文以高强度螺栓摩擦类型的连接为例，简要描述确定高强度螺栓数量的方法。其余的相似。单个高强度螺栓的剪切轴承能力的设计值NBV由等式（4）计算，高强度螺栓的数字NT的数量是通过等式（5）获得的。
在公式中：NF表示单个螺栓的强力传输摩擦表面的数量； U表示摩擦表面的防滑系数； P表示高强度螺栓的触诊力值。
5）开始检查横板部分和孔角钢截面。根据高强度螺栓的实际排列确定高强度螺栓的类型和数量后，检查在步骤3中选择的穿孔横板和穿孔角钢截面是否满足设计要求。
6）检查。如果步骤5中的横截面验证符合设计要求，则完成了拉伸和压缩设计。否则，请继续步骤3）并重复步骤3）至5）进行横截面选择和验证，直到横截面满足设计要求为止。
06
综上所述
1）光盘的厚度对新连接节点的拉伸和压缩特性有重大影响。随着椎间盘的厚度的增加，拉伸和压缩初始刚度，屈服负载和节点的最终负载都显着增加；减少开头钢的厚度可以增加关节拉伸屈服负荷，但减少了关节压缩最终载荷；穿孔横板的厚度仅对加强阶段的关节拉伸/压缩阻力有重大影响。随着其厚度的增加，关节拉伸/压缩最终负载增加。 ;套筒高度对节点的拉伸和压缩特性的影响很小，可以忽略。
2）增加初始预紧力会增加新连接节点的初始拉伸刚度，但降低了节点的初始压缩刚度。为了同时满足关节拉伸和压缩刚度的要求，建议初始预际作用力是预应力肌腱的非比例延伸力的40％。
3）基于“强连接，弱成员”的设计原则，提出了一种新的拉伸/压缩设计方法，用于为工程应用提供参考。
关于作者
张·艾林（Zhang Ailin）是北京技术大学的教授，北京学者，长江学者创新团队的领导者，北京高层和长期跨越预定层的钢结构工程中心的主任，中国钢铁结构协会副主席， “工业建筑”的编辑委员会成员。他在大型预应力钢结构和预制的高层钢结构系统的创新研究和工程应用中取得了杰出的成就。他发表了200多篇学术论文，并授权了100多项发明专利。他是“预应力钢结构技术标准”和“多高建筑物”的主编。 “完全螺栓预制的钢结构的技术标准”等。结果已成功用于北京奥运会羽毛球大厅和北京国际机场航站楼等主要项目。他赢得了2次第二次奖项，获得了国家科学和技术进度奖，中国钢铁结构协会的科学和技术特殊奖品，中国土木工程Zhan Tianyou奖，等等。
Li Jiulin是首批北京学者之一，国家杰出工程师钢结构连接螺栓焊接，也是北京城市建筑集团有限公司的首席工程师。大型项目，例如国家体育场“鸟巢”，国家速滑竞技场“冰丝带”，北京Huaifang再生水厂和新的Shougang桥，以及系统地开发了大型的空间结构。建筑技术，智能建筑技术和绿色建筑技术。作为第一个完成者，他获得了国家科学技术进步奖1次获得1次奖金，北京科学技术进步奖的第2个奖项，中国建筑科学技术进步奖的2项奖项以及其他省级和部长级第一级学术/协会科学技术进步特别奖品。 9首先奖品，国际焊接协会Ugo Guerrera奖等；发表了90多篇论文，20多种授权发明专利，3项国家建设方法，并发表了5份专利。他同时担任住房和城乡发展部科学技术委员会绿色建筑专业委员会成员，中国土木工程学会的执行董事，以及智能建筑技术委员会主任中国建筑金属结构协会的钢结构专家委员会。
Liu Tingyong博士北京技术大学的北京城市建筑集团有限公司的博士后研究员，主要从事大型预制预制钢结构的智能建筑研究。
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“工业建筑”（CN 11-2068/tu，ISSN 1000-8993）成立于1964年。它是由MCC建筑研究所有限公司（MCC Construction Institute Co.，Ltd. 。由Magazine Co.，Ltd.出版的国家科学技术杂志。“工业建设”的报告指导涵盖了民用建筑领域的主要学科，包括建筑的五个专业，建筑结构，建筑结构，岩土工程和基金会，建筑材料和建筑构造。报告方向始终着重于引入新的建筑思想和概念，新材料，新结构和新的建筑方法，努力指导建筑技术政策和技术发展趋势，并为解决生产中的主要技术问题提供帮助和建设。 ，促进民用建筑领域的技术创新和进步。
