方钢管-板连接节点在轴拉作用下的剪切滞后效应分析

甘晶，徐殿富，方成，何建春，胡梦菲

（1.浙江省工业设计研究院有限公司，浙江 杭州 310052；2浙大城市学院土木工程系，浙江 杭州 310012）

0 前言

实际工程中，侧面焊缝是轴心受力板件连接的主要形式，导致钢结构构件拼接存在非全截面传力的情况，例如支撑节点，因连接节点处构件形式发生转变，两构件非全截面连接，若构件通过抗剪连接，产生应力分布不均，出现剪切滞后现象，截面强度无法发挥。美国AISC、加拿大CAS规范基于螺栓连接的形式给出的剪切滞后截面折减系数。而对焊接情况分析较少。得出的公式并不一定适用于侧面焊缝连接的情况。

我国学者翁兰溪等[1]关于圆管、板连接节点剪切滞后现象进行了试验和有限元研究，得出管板连接节点存在剪切滞后现象。2017年颁布的新《钢结构设计标准》（GB50017-2017）中，对常用的角钢、H型钢非全截面连接，给出了危险截面有效截面系数。而对其他截面形式并未给出，在结构设计中，设计师缺乏对规范未规定的截面形式通过侧面焊缝连接节点的受力机理，按规范轴心受力构件公式进行设计，忽略剪切滞后的影响，存在一定的安全隐患。

关于空间结构及高层钢结构中方管-板连接形式中方管的连接效率问题，并未有学者进行研究，方钢管-板连接节点非全截面连接，规范中也未给出了危险截面有效截面系数。本文基于前期对圆管-板连接节点在轴向力作用下剪切滞后效应的研究[2]，通过有限元分析，了解方管-板连接节点节点受力性能，给出剪切滞后效应系数，对实际项目设计起到指导性作用。

1 有限元模型

1.1 试件设计

本次有限元分析共设计9个构件，重点考察钢管与板连接长度Lw对承载力的影响，试验材料选用Q235B钢材，钢管管径、开槽长度见表1，试件尺寸见图1。均为轴心受拉试件。

试件细部尺寸 表1

图1 试件细部尺寸

试件设计之前按照钢结构设计标准对构件进行设计，取扩散角为30°，连接板厚度均为20mm，保证焊缝连接先于连接板破坏。

1.2 模型建立

本文选择ABAQUS有限元模拟分析软件进行方钢管-板连接节点在轴心受拉作用下的剪切滞效应进行分析。前期已有学者对钢结构连接节点的剪切滞后效应进行试验和有限元分析并取得了预期的效果和结论[3～5]，并将相关结论写入新版钢结构设计标准。说明用有限元软件abaqus、ansys等通用有限元软件分析的结果可靠。

本文选用钢材为Q235-B，其应力应变关系采用弹性-塑性-强化模型。屈服强度按规范取Q235MPa，极限强度取370Pa。本研究采用ABAQUS建立方管-板连接节点的三维有限元分析模型。在有限元模型中，采用C3D5实体单元，并且考虑合理的边界条件，采用位移模拟加载，单元的选取、网格划分及边界条件见图2。

图2 有限元模型及网格划分

2 结果分析

有限元实体单元建模，采用位移加载，分析得出Von-Mises应力图，管-板连接处应力集中现象明显，破坏形态均为开槽部分管发生剪切破坏。管板连接部分达到屈服时，方管中未与连接板连接边应力仍较小（图中蓝色部分），说明方管径向应力分布不均，构件截面效率并未充分发挥。对比图4中图a、图b、图c知随着Lw长度的增加，未与板连接边应力逐渐增大，说明Lw的增加虽然会提高截面效率，但仍存在“零应力”区，如图4中图d所示，说明该连接剪切滞后现象明显。

为形象说明有限元分析结果，将应力以应力流形式表达，板仅有一小部分与管连接，如果提高板的承载力，需要将局部连接应力扩散到板的横断面内，即扩散到没有连接部分，可以解释为板的应力会从连接的一条线开始流向未连接部分，连接处应力密度最大，该断面应力分布不均，距离连接处越远，应力密度变得均匀，应力集中不明显，如图3所示，钢管部分应力流也从开槽处不均匀向均匀过渡。从有限元应力云图可知，钢管开槽长度越长，连接部分应力分布相对均匀。

图3 应力迹线示意图

图4 典型试件应力云图

3 承载力分析及折减系数建议

为了更直观地表达剪切滞后对轴拉构件的影响，将剪力滞后系数用公式表达，其中：

α——剪力滞后系数

Fu——构件极限荷载

f——钢材的抗拉强度

A——正截面面积

Av——受剪截面面积

各个构件分析结果 表2

从表二两组结果分析结果可知，随着开槽长度Lw的增加，极限承载力增加，α增加；达到一定程度时，承载力和α基本保持不变，α值均在0.9以上，如GJ3、GJ4承载力接近、GJ7、GJ8承载力接近。α基本保持不变，但小于0.95。

以上数据分析，在节点设计时，轴心受拉工况下，按照内力进行连接设计时应对连接进行折减，建议折减系数α取0.85。按照构件全截面设计方法设计截面时，分析得出α均大于0.9，连接达不到全截面有效，为此在构件设计时，构件应力比建议不大于0.9。

4 结论

钢结构工程中，方管卓越的受力性能经常会被用在重型厂房的支撑、高层建筑的柱子、支撑、以及空间结构的主要受力构件等工程中，新钢结构规范针对角钢、槽钢、H型钢的危险截面折减系数进行了规定，给工程设计提供了非常便利的指导，而在方钢管插板连接节点对接、和连接设计时，设计人员往往按照杆件内力进行连接节点强度设计，而未考虑剪切滞后的影响，而实际上，方管-板连接是做不到全截面有效设计时应充分重视。

本文针对方管插板连接节点进行有限元分析，来研究节点的剪切滞后影响，得出影响连接节点截面效率的因素，影响该连接节点承载力的因素为方钢管与板的连接长度，在相同管径的情况下，开槽长度的增加可以提高构件的承载力。并按应力流的形式对该连接节点的应力分布进行说明，本文并给出该种连接形式的剪切滞后影响系数建议值。提出减缓剪切滞后效应的措施及剪切滞后系数的建议值。