抗震应用的预认证节点

12.1 EQUALJOINTS 项目

欧洲研究项目 EQUALJOINTS 为下一版 EN 1998-1 提供了钢结构节点的预认证准则。研究活动涵盖了一系列螺栓节点类型及采用重型截面的焊接削弱梁截面节点的设计与制造程序标准化，这些节点旨在满足不同的性能水平要求。此外，还开发了一套新的欧洲预认证加载制度，以反映欧洲地震需求的特点。针对欧洲普通碳素钢和高强螺栓循环性能表征的试验研究，验证了四种预认证节点类型所需的性能：加腋螺栓节点、非加劲外伸端板螺栓节点、加劲外伸端板螺栓节点以及焊接削弱梁截面节点；见图 12.1.1。EQUALJOINTS 项目的试验成果汇总于（Stratan 等，2017）和（Tartaglia 与 D'Aniello，2017）。

图 12.1.1 EQUALJOINTS 项目中预认证的结构节点

12.2 端板节点

加劲外伸端板螺栓节点在欧洲钢结构制造业中最为常见，由于其制作和安装简便经济，在欧洲工程实践中被广泛用作低层和多层钢框架中的抗弯节点。基于有限元分析参数化研究，螺栓外伸加劲端板梁柱节点的设计准则及相关要求已在 EN 1998-1:2005 中进行了深入研究、系统讨论并予以规范化。然而，能力设计程序仅在组件法框架内得到发展。该方法同时考虑了肋板的存在，能够针对不同性能水平控制节点响应。

非加劲外伸端板节点在钢结构施工中常用于连接钢 I 形或 H 形梁与钢 I 形或 H 形柱，适用于需要传递较大弯矩的情况。这种构造形式通过螺栓连接实现便捷安装，而端板与梁的焊接则在工厂自动化完成。节点的抗弯承载力通常低于被连接构件的抗弯承载力，因此此类节点被视为部分强度节点。通过合理设计，可以实现等强度状态，即节点的塑性承载力与梁截面的塑性承载力大致相等。节点的抗弯延性在很大程度上取决于节点的构造细节，而构造细节直接影响破坏模式（Jaspart，1997）。若控制破坏的节点组件具有延性，且脆性受力组件的承载力显著更高，则可实现延性节点响应。反之，则不应依赖节点形成塑性铰并重分布内力以在地震区耗散能量。

对于焊接削弱梁截面抗弯节点（又称"狗骨式"节点），主要采用两种策略：加强节点或削弱梁截面。在截面削弱轮廓的两种方案中，圆弧切割方式往往表现出相对更好的延性，能够延迟极限断裂的发生（Jones 等，2002）。然而，研究表明，削弱梁截面构件由于翼缘面积减小，更易发生侧扭屈曲。针对深柱应用的进一步试验和分析研究（Zhang 与 Ricles，2006）表明，组合楼板的存在可显著减少柱的扭转变形，因为楼板为梁提供了侧向支撑，并减小了下翼缘的侧向位移。

根据 EQUALJOINTS 项目开发的设计程序，节点由三个宏观组件构成：柱腹板域、连接区和梁区；见图 12.2.1。每个宏观组件依据特定假设单独设计，然后应用能力设计准则，以获得用于评估节点的三种不同设计目标：全强度节点、等强度节点和部分强度节点。全强度节点的设计旨在保证所有塑性变形均发生在梁中，这与 EN 1998-1:2005 强柱弱梁能力设计规则一致。等强度节点理论上以所有宏观组件（即连接区、腹板域和梁）同时屈服为特征。部分强度节点的设计使塑性变形仅发生在连接区或柱腹板域中。根据等强度和部分强度节点中连接区与柱腹板域宏观组件的承载力，可进一步引入附加分类。对于强腹板域，部分强度节点的塑性需求集中于连接区，等强度节点的塑性需求则集中于连接区和梁。对于均衡腹板域，部分强度节点的塑性需求分布于连接区和柱腹板域之间，等强度节点的塑性需求则分布于连接区、腹板域和梁之间。对于弱腹板域，部分强度节点的塑性需求集中于柱腹板域，等强度节点的塑性需求则集中于腹板域和梁。

图 12.2.1 节点宏观组件划分

节点延性取决于破坏模式类型及所激活组件相应的塑性变形能力。变形能力可通过满足组件法（CM）的既定准则进行粗略预测，或通过 CBFEM（基于组件的有限元模型）进行更精确的计算。以下结合宏观组件的独立行为，介绍 EQUALJOINTS 项目资料及 ANSI/AISC358-16 标准中所述两种预认证节点构型的设计示例。

12.2.1 验证

Montenegro（2017）利用 EQUALJOINT 项目的一系列试验数据，对预认证节点刚度、承载能力和变形能力的 CBFEM（基于组件的有限元模型）模型进行了验证。结构方案示例见图 12.2.2。破坏模式的验证结果见图 12.2.3。15 % 应变下承载力和变形能力验证的汇总结果见图 12.2.4 和图 12.2.5。

图 12.2.2 用于验证的节点 a) EH2-TS-35-M 和 EH2-TS-45-M，b) ES1-TS-F-M 和 ES3-TS-F-M，c) E1-TS-E-M 和 E2-TS-E-M

图 12.2.3 CBFEM（基于组件的有限元模型）在带加腋外伸端板节点 E1-TS-F-C2 上的破坏模式验证（Tartaglia 与 D'Aniello，2017）

图 12.2.4 基于 EQUALJOINTS 项目试验的 CBFEM（基于组件的有限元模型）承载力验证

图 12.2.5 基于 EQUALJOINTS 项目试验的 CBFEM（基于组件的有限元模型）转动能力验证

12.2.2 校核

CBFEM（基于组件的有限元模型）模型已按照 EN 1993-1-8:2006 第 6 章对组件法（CM）进行了校核。部分结果汇总于表 12.2.1 和图 12.2.6。结果表明，对于较大节点，组件法的精度有所下降，原因在于力臂的粗略假设影响了计算精度。

表 12.2.1 CBFEM（基于组件的有限元模型）与组件法（CM）的校核对比

图 12.2.6 CBFEM（基于组件的有限元模型）与组件法（CM）的承载力校核对比

（Landolfo 等，2017）和（Equaljoints 应用程序）中对三个单侧加腋节点进行了更详细的描述。节点承受正弯矩和负弯矩及相应剪力的共同作用。柱腹板设有补强板，因此控制组件为端板或柱翼缘的 T 形件。对于正弯矩，转动轴假定位于梁上翼缘中心；对于负弯矩，转动轴假定位于加腋中部。塑性铰位置假定在加腋端部加劲板的面处。用于节点校核的柱面弯矩由相应剪力增大；见图 12.2.7。

图 12.2.7 塑性铰位置及加腋节点弯矩分布

表 12.2.2 加腋节点组件法（CM）各组件承载力

应变硬化系数取 1.2，与 EN 1993-1-8:2006 及 EQUALJOINTS 项目最终报告的建议一致（EN 1998-1:2005 建议取值 1.1）。超强系数取 1.25（Landolfo 等，2017）。所有钢材均为 S355 级。各组件承载力汇总于表 12.2.2。加粗的校核项为不满足要求项。注意，加腋承载力为端板处带加腋梁截面的塑性承载力。梁的承载力在塑性铰位置处考虑超强系数放大，但在端板处不予放大。若端板处也采用超强系数，则该承载力将更高。因此，次低承载力即 T 形件—端板被认为控制节点 267 的承载力。所研究的节点均不满足全强度节点的要求，但承载力非常接近，属于等强度节点。各节点的柱腹板域均为强腹板域。

CBFEM（基于组件的有限元模型）确定的控制破坏模式为螺栓破坏伴随板件屈服，主要涉及端板、柱翼缘和加腋。根据 CBFEM（基于组件的有限元模型），节点 4.2 和节点 264 为全强度节点，节点 267 为等强度节点。各节点柱腹板域均为强腹板域。

图 12.2.8 承载力状态下的应变分布：a) 整体节点，b) 仅螺栓端板连接宏观组件，c) 仅含补强板的柱腹板域受剪宏观组件，d) 仅梁宏观组件

12.2.3 非加劲外伸端板节点

为进行敏感性研究，选取了一个预认证非加劲外伸端板节点。IPE 450 梁通过 25 mm 厚外伸端板及十二颗 M30 10.9 级螺栓与 HEB 300 柱相连，分别考虑有无 10 mm 厚腹板补强板两种情况。所有板件均采用 S 355 级钢。为单独确定各宏观组件的贡献，所选宏观组件的材料本构采用弹塑性模型，其余部分仅采用弹性材料本构。图 12.2.8 对比了整体节点、仅含补强板的柱腹板域受剪宏观组件、仅螺栓端板连接宏观组件以及仅梁宏观组件在承载力状态下的应变分布。各宏观组件对节点行为的影响见图 12.2.9，图中分别展示了有无补强板的柱腹板域情况。节点行为表明连接宏观组件具有较高承载力。

图 12.2.9 宏观组件（含补强板的柱腹板域受剪、螺栓端板连接及梁）对整体节点行为的影响

12.2.4 压力中心位置

对于端板节点，EN 1993-1-8:2006 规定压力中心位于梁翼缘厚度中部，对于加腋节点则位于加腋端部。试验和数值结果表明，压力中心的位置取决于节点类型和转动需求，这是由于各节点组件参与程度不同的塑性模式形成所致（Landolfo 等，2017）。根据所提出的组件法设计程序，并结合试验和数值结果，对于加劲端板节点，接触点预期位于梁翼缘与肋板加劲板所构成截面的形心附近；对于加腋节点，接触点预期位于约 0.5 倍加腋高度处。CBFEM（基于组件的有限元模型）程序对这一粗略假设进行了精确化，能够在加载和构件初始屈服过程中给出正确数值。

上述结果表明，经 ROFEM 校核并经 EQUALJOINTS 试验和组件法（CM）验证的 CBFEM（基于组件的有限元模型）具有良好的精度。该方法能够单独考虑各宏观组件的行为，并根据加载/塑性化状态精确确定中性轴位置。

12.3 焊接削弱梁截面节点

本研究选取了一个符合 ANSI/AISC 358-16 的预认证焊接削弱梁截面节点。IPE 450 梁通过翼缘对接焊缝及 12 mm 厚翅板（配三颗预紧 M30 10.9 级螺栓）与 HEB 300 柱相连，分别考虑有无 10 mm 厚腹板补强板两种情况；见图 12.3.1。所有钢材均为 S355 级。

图 12.3.2 展示了整体节点极限承载力状态下以及仅含补强板的柱腹板域受剪宏观组件的应变分布。各宏观组件对节点行为的影响见图 12.3.3，图中分别展示了有无补强板的柱腹板域情况。节点结果表明，各宏观组件的承载力得到了良好的优化匹配。

图 12.3.1 削弱梁截面节点：a) 带削弱截面的梁，b) 含补强板的柱腹板域受剪及螺栓端板连接，

图 12.3.2 承载力状态下的应变分布：a) 整体节点，b) 仅含补强板的柱腹板域受剪宏观组件 

图 12.3.3 宏观组件对整体节点 M-φ 曲线行为的影响

参考文献

EN 1993-1-8，欧洲规范 3，钢结构设计——第 1-8 部分：节点设计，CEN，布鲁塞尔，2005。

Jones S.L., Fry GT., Engelhardt M.D. 削弱梁截面弯矩节点循环加载试验评估。结构工程杂志。 128 (4), 441–451, 2002。

Landolfo R. 等。地震区钢结构设计，ECCS 欧洲规范设计手册。Wiley，2017。

Stratan A., Maris C, Dubina D, and Neagu C. 带加腋螺栓外伸端板梁柱节点的试验预认证。 ce/papers, 1(2–3), 414–423, 2017。

Tartaglia R, D'Aniello M. 受柱失效影响的外伸加劲端板螺栓梁柱节点非线性性能。开放土木工程杂志 第 11 卷，增刊第 1 期，369–383，2017。

Zhang X., Ricles J.M. 削弱梁截面节点与深柱连接的试验评估。 结构工程杂志。132 (3), 346-357, 2006。