1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
工程实践表明，钢结构建筑具有自重轻、施工快、抗震性能好、节省材料等优点，故钢结构被广泛应用于建筑、铁路、桥梁等方面。此外，钢结构建筑还具有可装配、绿色环保、轻质等优势，早已在国际上被公认为“绿色建筑”的主要代表[1]。为此，我国在建筑技术领域的用钢政策也从原先的“限制用钢和节约用钢”逐步过渡到“合理用钢和鼓励用钢”。与此同时，国家的政策导向及发展绿色建筑的号召，也为推动钢结构在建筑领域的广泛应用提供了极大的发展空间和很大的发展契机[2]。
目前的钢结构建筑中，大多采用框架结构。钢框架结构具有平面布置灵活、安装施工方便、构件易于标准化等优点，在多高层房屋建筑工程中有着广泛的应用[3]。在钢框架结构中，框架柱一般采用 H 型钢、方钢管和圆钢管等，其中方钢管具有良好的截面特性及受力性能，截面各个方向的几何参数相同，并且各个方向的抗弯承载力相同。研究结果表明，方钢管与相同截面高度的宽翼缘 H 型钢相比，考虑 H 型钢强轴方向，二者的抗弯刚度较接近，但对于 H 型钢弱轴方向，方钢管的抗弯刚度是 H 型钢的 2.7 倍，回转半径是 H 型钢的 1.6 倍[4]。与圆钢管相比，方钢管两个主轴方向抗弯刚度是圆钢管的1.3 倍，方钢管柱抗扭刚度大，承载能力高，并且具有良好的防锈蚀性能。另外，方钢管可在工厂内一次加工成型，避免了复杂的加工工艺，容易保证质量，降低成本；其次，方钢管柱外形美观、规则，与梁柱连接构造简单方便，具有更好的建筑适用性。
钢框架结构中，节点是框架结构的传力枢纽，是保证钢框架结构整体受力性能的关键部位，节点连接质量的好坏直接影响结构在荷载作用下的整体安全性能和单个构件的受力性能。目前，梁柱连接节点大多采用栓焊连接，此节点形式应力集中严重，焊缝缺陷和焊接残余应力使节点区域应力复杂，易诱发节点发生脆性破坏，从而影响框架结构的整体安全。据研究人员对 1994 年和 1995 年发生在美国北岭及日本阪神的地震灾害调查发现，钢结构建筑中梁柱节点连接处发生了严重损坏，主要为梁翼缘焊缝位置处发生断裂[5]。在地震荷载作用下，焊接连接的梁柱节点没有塑性发展的迹象，大量焊缝均出现脆性破坏，焊缝的失效又导致节点破坏，继而造成整个建筑的坍塌。我国是一个地震多发国家，保证建筑结构在地震荷载作用下的安全性和可靠性十分重要。因此，研究和设计构造简单、传力明确、抗震性能优越、施工方便且经济质优的钢框架连接节点显得尤为重要。
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1.2 常用节点形式
在钢框架结构中，梁柱节点连接的稳定性直接影响整体框架结构的安全性。近年来，随着我国钢材加工制造工艺的提高，出现了性能优良的方钢管，其良好的力学性能及便于建筑空间布置为钢结构的设计提供了更多有利条件，已被广泛应用于钢框架结构的框架柱。目前主要应用和研究的梁柱节点形式为内隔板节点、外隔板节点、隔板贯通式节点、梁端加劲节点[6-14]。
（1）内隔板节点
内隔板节点如图 1.1 所示。在实际施工过程中，内隔板节点通常采用的做法是先将钢管柱在节点中部截断，在与 H 型钢梁翼缘对应的位置焊接横隔板，最后采用全熔透对接焊将截断的钢管柱焊接在一起构成完整的钢管柱，此时在采用栓焊混合的连接方法将梁与柱连接。内隔板式节点构造简单，传力明确，节点刚度大，但内隔板节点施工繁琐，难于保证焊接质量，且节点核心区焊缝较多，容易诱发裂缝。
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2 方钢管柱-H 型钢梁螺栓连接节点设计及受力特点分析
2.1 钢框架梁柱节点设计要求
依据我国《建筑抗震设计规范》[59]、《钢结构设计规范》[60]等相关规范对改进的方钢管柱-H 型钢梁节点进行设计验算，以满足以下设计要求：
（1）梁柱连接节点传力明确，节点在弯矩和剪力作用下具有足够的承载能力及变形能力。
（2）满足“强柱弱梁”的抗震设计要求，即在钢梁进入全截面塑性时钢柱仍在弹性或弹塑性范围之内。
（3）满足“强连接弱构件”的抗震设计要求，即对节点的连接件设计时，一般采用与梁柱构件等强度或比等强度更高的原则。
（4）梁柱节点连接处应满足节点极限承载力要求。
（5）依据国内外现有研究成果对节点进行改进后，要保证改进后的节点具有合理的传力机制与破坏模式。
6）便于施工现场安装以及震后的维修与更换。
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2.2 现有方钢管柱-H 型钢梁节点存在的问题分析
根据钢框架梁柱节点设计要求可知，梁柱节点连接的稳定性直接影响整体框架结构的安全性。目前，各国学者针对钢框架梁柱节点连接形式做过大量研究，并设计出许多类型的节点，但针对现有方钢管柱-H型钢梁节点的应用与研究仍有许多问题亟待探索：
（1）传统梁柱节点形式焊缝较多，施工进度慢且焊接质量难以保证。目前梁柱连接节点大多采用焊接或栓焊连接，然而此节点形式的应力集中严重，焊缝缺陷和焊接残余应力使节点区域应力复杂，易诱发节点发生脆性破坏。并且在实际施工过程中受焊接空间、结构构件尺寸、焊接位置等因素影响，使现场施工进度较慢，甚至有可能引起火灾的风险。
（2）梁柱节点现场施工较为繁琐，影响结构整体安装速率。在实际工程运用中，一些梁柱节点不仅受力性能较好，而且有利于提高整体结构的强度和刚度，但该类型的节点钢材消耗量大、现场施工较为复杂、结构构件安装较慢，影响结构整体施工进度。
（3）对梁柱节点采用全螺栓连接形式研究较少。目前，已有部分学者对全螺栓节点连接形式进行研究，但全螺栓节点连接形式仍较少，主要集中在梁柱节点连接采用穿芯螺栓或单向螺栓连接，采用该种连接方式需要在钢管柱的柱壁上开孔，使柱壁被削弱，
从而削弱节点的刚度和承载力。
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3 方钢管柱-H 型钢梁节点数值计算分析....................................21
3.1 有限元分析方法.........................................21
3.1.1 结构非线性分析...................................21
3.1.2 材料弹塑性分析................................22
4 方钢管柱-H 型钢梁螺栓连接节点的抗震性能分析............................35
4.1 方钢管柱-H 型钢梁螺栓连接节点计算模型的建立............................ 35
4.2 方钢管柱 H 型钢梁螺栓连接节点 BASE 的抗震性能分析................................... 37
5 结论与展望................................67
5.1 主要结论..............................67
5.2 展望.....................................68
4 方钢管柱-H 型钢梁螺栓连接节点的抗震性能分析
4.1 方钢管柱-H 型钢梁螺栓连接节点计算模型的建立
基于第三章有限元建模分析方法，本章建立方钢管柱-H 型钢梁螺栓连接节点，方钢管柱及 H 型钢梁截面尺寸分别为 200mm×200mm×8mm、300mm×200mm×6mm×8mm，环板、隔板、槽钢连接件厚均为 8mm，螺栓采用 10.9 级Ｍ20 髙强螺栓，螺栓孔直径为21.5mm，节点试件的具体尺寸详见第二章图 2.4。方钢管柱-H 型钢梁螺栓连接节点建模过程如下：
（1）单元类型的选取及材料本构关系
方钢管柱-H 型钢梁螺栓连接节点中各部件所用钢材为 Q235B 钢，钢材的弹性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比为 0.3。对该节点进行建模分析时，节点模型中各部件均采用C3D8R 单元进行模拟。节点中方钢管柱、H 型钢梁、环板、隔板等部件及高强螺栓本构关系的定义与第三章相同，应力-应变曲线均采用三折线模型，详见第三章图 3.6，材料的材性参数取值参照第三章表 3.1 选取。图 4.1 为梁柱节点 BASE 有限元模型。
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5 结论与展望
5.1 主要结论
本文在参考已有方钢管柱-H 型钢梁节点的基础上，通过分析节点的受力特点，对节点构造做法提出改进建议。运用数值计算方法，研究在反复荷载作用下节点的破坏特征和抗震性能，进一步探讨不同轴压比、方钢管柱壁厚、螺栓预紧力和钢材屈服强度对节点破坏特征及抗震性能的影响。本文所得主要结论如下：
（1）通过分析节点的受力特点，并考虑现场施工方便，对节点构造做法提出改进建议，并对改进的方钢管柱-H 型钢梁节点进行设计及承载力验算。结果表明：改进的方钢管柱-H 型钢梁节点构造及各部件尺寸均满足要求，同时满足“强柱弱梁、强节点弱构件”的抗震设计要求，并且该节点传力明确、施工方便，适用于装配式钢结构。
（2）根据已有梁柱节点结构试验试件的相关参数建立对应数值计算模型，通过数值计算结果与结构试验结果对比分析可知，两者的破坏特征相似，滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线均吻合较好。通过对比结构试验和数值模拟条件下节点承载力和延性系数可知，承载力误差均在 5%以内，延性系数相差 1.92%。数值计算能较好的反映出节点受力过程，并且结构试验结果与数值计算结果误差较小，验证了数值计算结果的可靠性，为后续梁柱节点分析提供依据。
（3）在已验证节点模型的基础上，沿用相同建模方法建立改进的方钢管柱-H 型钢梁节点基准模型（BASE 试件），并对其破坏特征及抗震性能进行分析。进一步分析不同轴压比、方钢管柱壁厚、螺栓预紧力和方钢管钢材屈服强度对改进的方钢管柱-H 型钢梁节点抗震性能的影响。根据数值计算结果可知：BASE 试件的滞回曲线接近反 S 形，节点延性系数为 4.555，节点延性和耗能能力较好；随轴压比的增大，节点承载能力略微降低。轴压比对节点延性影响表现为先增大后减小，当轴压比小于 0.3 时，随轴压比的增大节点延性增加；随方钢管柱壁厚的增大，节点初始刚度和承载力均逐渐增大，但节点初始刚度增加幅度逐渐减小。并且增加方钢管柱壁厚可显著提高节点耗能能力，当方钢管柱壁厚为 6mm 时，增加方钢管柱壁厚对节点耗能系数的提高幅度较大，但随着方钢管柱壁厚的增加，耗能系数提高幅度逐渐下降；节点延性受螺栓预紧力的影响较小。随着螺栓预紧力减小节点在极限荷载时的耗能能力降低，当螺栓预紧力降低 58.3%时，节点能量耗散系数降低约为 10.6%。节点的初始刚度受螺栓预紧力的影响较大，当螺栓预紧力由 77.5kN 提高至 186kN，节点的初始刚度提升幅度约为 61.44%；钢材屈服强度的增加可显著提高节点的承载能力，当节点钢材屈服强度由 Q235 提高至 Q390，节点的承载能力提升幅度约 29.98%。
参考文献（略）