预制钢结构单边螺栓T-stub连接件循环滞回性能：薄翼缘厚度、螺栓类型与构造参数的试验及数值研究

《Buildings》：Cyclic Behavior of T-Stub Connectors with Single-Side Bolts: Experimental and Numerical Investigation

　　

摘要：梁柱节点是预制钢结构（prefabricated steel structure）中传递内力并保证结构完整性的关键部件，其抗震性能直接影响整体结构安全。为满足预制钢结构对高效可靠节点连接的需求，该研究提出一种采用单边螺栓（single-side bolt）的T-stub连接件（T-stub connector），并研究其在循环加载（cyclic loading）下的力学行为。设计并制作了7个具有不同参数的T-stub连接件试件，参数包括薄翼缘厚度（thin flange thickness）、螺栓类型（bolt type）、螺母焊接条件（nut welding condition）和开孔方向（opening direction），并开展低周往复加载试验（low-cycle reciprocating loading test），获得其破坏模式（failure mode）、滞回曲线（hysteresis curve）和骨架曲线（skeleton curve）。建立了相应的有限元模型（finite element model, FEM），并与试验结果进行验证，从而深入分析节点力学响应。该研究对采用单边螺栓的T-stub连接件循环性能进行了试验与数值研究。7个试件在低周往复加载下完成设计与试验，关键参数包括薄翼缘厚度、螺栓类型、螺母焊接和开孔方向。建立了有限元模型并依据试验结果进行验证。结果表明：增大薄翼缘厚度可提高极限承载力（ultimate load capacity）和初始刚度（initial stiffness），但会略微降低变形能力（deformation capability）。在螺栓类型中，常规高强螺栓（conventional high-strength bolt）表现最佳；TSOB（原文第二种T形单边螺栓缩写）在承载力方面差异较小，且其滞回环比EOB（原文第一种T形单边螺栓缩写）更饱满。螺母焊接和开孔方向对整体性能影响较小。上述发现为预制钢结构T-stub连接件设计提供了依据。

研究背景与问题：钢结构因强度高、自重轻、施工快而广泛用于工业与民用建筑。梁柱节点是传递内力并保证结构完整性的关键部件，其性能直接影响结构承载力和抗震性能。传统焊接连接或常规高强螺栓连接存在施工要求高、需双侧操作等限制；单边螺栓（single-side bolt，可仅在一侧安装并紧固）技术可克服施工空间受限问题，因而在预制钢结构中受到关注。对箱形柱-H梁节点，箱形柱闭口截面使常规高强螺栓难以直接安装于柱壁，常用方案为箱形柱内壁焊螺母后外侧拧紧螺栓，或采用单边高强螺栓。T-stub连接件（T-stub connector，由翼缘和腹板构成的T形连接构件）与单边螺栓组成T-stub单边螺栓节点，受力路径明确，节点性能主要取决于T-stub连接件，并受薄翼缘厚度、螺栓类型、螺母焊接和开孔方向影响。现有研究已发展多种单边螺栓，但针对该特定连接形式在循环荷载下关键参数影响的系统研究不足，多集中于单参数、静力或单调加载，且试验数据与有限元参数分析未充分整合，难以形成定量设计建议，因此需开展循环加载试验与数值分析。

研究开展与结论意义：研究人员设计7个不同参数T-stub试件，开展低周往复加载试验（low-cycle reversed loading test），获得破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、割线刚度（secant stiffness）退化和能量耗散值（energy dissipation value），分析薄翼缘厚度、螺母焊接、螺栓类型和开孔方向对极限承载、变形、刚度和耗能的影响；建立有限元模型（finite element model, FEM）并验证，进一步开展参数分析。结果表明：T-stub单边螺栓连接具有良好耗能、承载和延性，TSOB试件极限承载力达常规螺栓试件98.6%；增大薄翼缘厚度显著提高极限承载、初始刚度和累积耗能，但变形能力略降，破坏模式由翼缘屈服控制逐渐转为焊缝开裂与螺栓弯曲控制；常规高强螺栓性能最佳，TSOB与常规差异小且滞回较EOB饱满；螺母焊接和开孔方向影响小。该研究为预制钢结构T-stub连接件设计提供依据。

主要关键技术方法：设计7个循环加载试件，t_f1取4、6、8 mm，t_f2=16 mm，b=80 mm，d=40 mm，e=40 mm，t_w=12 mm，b_f=172 mm，b_w=120 mm；板材Q235，螺栓8.8级M20。试验在南昌大学结构实验室完成，采用SDZ-100电液伺服试验机（最大100 kN），位移控制，正幅2 mm起每级增1 mm、每级3循环，负幅为0，明显损伤或首循环最大荷载降至极限85%终止。建立ABAQUS 2021有限元模型，采用C3D8R单元，螺栓网格3 mm、翼缘和腹板5 mm，薄翼缘网格敏感性4/5/6 mm所得极限荷载差异<2%后取5 mm，摩擦系数0.25；一端固定，另一端耦合加载Z向并约束U1=U2=UR1=UR2=UR3=0。试件为自制，无样本队列来源。

研究结果：
（1）试验现象（Test Phenomenon）：通过7个试件低周往复试验观察，所有试件薄翼缘反复开合，最终承载力降至85%极限时破坏，呈“半开”形，薄翼缘塑性弯曲、栓孔承压扩孔，裂纹主要起源于薄翼缘与腹板焊缝趾，螺栓无明显变形。厚度增大使焊趾裂纹由窄短变宽；4 mm试件受压时栓端局部屈曲，6 mm和8 mm试件栓间薄翼缘逐渐闭合且栓端外局部屈曲。螺母焊接对破坏模式影响小；T616ST2H因焊缝不对称呈不对称“半开”；开孔方向无显著影响。塑性铰位置随厚度变化：4 mm仅栓孔周围，6 mm栓孔周围和焊趾，8 mm焊趾先裂且塑性铰向焊缝附近转移，破坏由翼缘屈服控制转为焊缝开裂和螺栓弯曲控制。FEM进一步表明厚度增加使翼缘刚度增大、撬力增大、螺栓附加拉力增大且焊趾应力集中，导致破坏模式转变。

（2）滞回曲线（Hysteretic Curves）：通过试验比较各参数。厚度T416SR、T616SR、T816SR最大拉载40.04、54.51、82.11 kN，最大压载34.60、64.90、93.46 kN，厚度增大压载渐超拉载；4 mm和6 mm曲线较饱满，8 mm因栓孔变形出现捏缩，厚度提高承载和初始刚度但降低变形能力。螺母焊接T616WR与T616SR最大拉载55.10与54.51 kN、压载63.11与64.90 kN，最大位移均11 mm，影响小。螺栓类型T616SR、T616ST1H、T616ST2H最大拉载54.51、50.68、53.12 kN，压载64.90、56.07、63.28 kN，最大位移11、10、10 mm；常规高强螺栓最佳，TSOB次之，EOB最弱，T616SR与T616ST1H滞回较饱满。开孔方向T616ST2H与T616ST2V最大拉载53.12与52.58 kN、压载63.28与61.84 kN，最大位移均10 mm，影响有限。

（3）骨架曲线（Skeleton Curves）：通过连接每级第一循环起点与峰值点获得。厚度越大同变形荷载越大但极限位移减小；螺母焊接骨架曲线基本一致；螺栓类型常规最佳、TSOB次之、EOB最差；开孔方向基本一致。

（4）割线刚度（Secant Stiffness）：由原点到最大荷载点连线斜率分析，所有试件随变形幅值增加割线刚度渐降；厚度影响最明显，越大同变形割线刚度越高；螺母焊接和开孔方向影响小；螺栓类型常规最佳、TSOB次之、EOB最差；割线刚度降至最大20%可认为基本进入塑性并失效。

（5）能量耗散值（Energy Dissipation Values）：由滞回环面积反映。所有试件耗能随位移增加，T-stub连接件耗能良好；总耗散T416SR、T616SR、T816SR、T616ST1H、T616ST2H、T616ST2V分别为545.8、724.6、904.1、636.1、577.5、578.4 kJ；厚度越大同变形耗能越强；螺母焊接和开孔方向影响小；随位移增加常规螺栓和EOB耗能超过TSOB，因常规和EOB滑移更大使滞回环更饱满，TSOB滑移小但捏缩更明显，耗能为滑移与捏缩相反作用的综合结果。

（6）有限元模型与分析方法（Finite Element Model and Analysis Method）：建立7个与试验尺寸和材料一致的模型，采用双线性随动硬化本构，C3D8R单元，焊缝tie约束，其他接触法向硬接触、切向摩擦0.25，边界和加载与试验一致。

（7）有限元结果验证（Finite Element Result Verification）：破坏模式比较中，T616SR、T616ST1H等试验与FEM均表现为薄翼缘塑性弯曲、栓孔扩孔和焊趾开裂，FEM焊趾和孔周塑性铰、截面达极限应力开裂，变形模式一致；滞回曲线比较中，FEM与试验趋势基本一致，极限承载力误差均<5%，验证了试验结果和有限元方法的准确可靠。

（8）有限元结果分析（Analysis of Finite Element Results）：螺栓类型方面，三种螺栓滞回趋势大致相同，常规螺栓变形能力更强，EOB和TSOB最大变形略小；最大承载力54.64、51.91、53.87 kN，TSOB与常规差异小，可在保证力学性能同时便于安装。薄翼缘厚度方面，4、6、8 mm模型最大拉载39.63、54.64、80.47 kN，最大压载34.32、67.52、95.15 kN，厚度显著提高承载；最大拉位移12.97、11.84、11.97 mm，厚度减小变形能力总体增大；循环下厚度增加承载显著提高、变形略降。开孔方向方面，水平和垂直模型最大拉载53.8与53.21 kN、压载64.79与64.46 kN，最大拉位移10.95与10.96 mm，破坏模式、骨架、割线刚度和耗能相似，几乎无影响。螺母焊接方面，T616SR与T616WR滞回趋势基本一致，最大拉载54.64与55.11 kN、压载60.64与60.91 kN、最大拉位移11.85与11.89 mm，几乎无影响。

讨论与结论翻译：讨论部分总结指出，该研究聚焦构件层面T-stub单边螺栓连接件循环行为，结果有助于理解薄翼缘厚度、螺栓类型、螺母焊接和开孔方向的影响；后续可将连接件组装为箱形柱-H梁节点，开展整体节点循环加载与有限元分析；可进一步研究螺栓预紧力、翼缘宽度、焊缝质量及翼缘厚度组合等参数，建立定量设计公式；还需考察服役长期性能，并优化单边螺栓以利于施工。研究结论翻译如下：（1）T-stub单边螺栓连接具有良好耗能能力、承载性能和延性，其承载力与常规螺栓T-stub连接件相当；在本研究参数范围内，TSOB试件与常规螺栓试件极限承载力差异小，TSOB试件达到常规螺栓试件承载力的98.6%，该连接方式在便于安装的同时实现接近常规连接的力学性能，显示其在预制钢结构中工程应用潜力。（2）所有试件滞回曲线较饱满，抗震性能良好；增大薄翼缘厚度可显著提高连接件极限承载力、初始刚度和累积耗能能力；随薄翼缘厚度增加，破坏模式逐渐由翼缘屈服控制转为焊缝开裂和螺栓弯曲控制。（3）在本研究参数范围内，T形螺栓开孔方向及螺母是否焊接对连接件整体性能无显著影响；实际施工中可根据结构要求优先选择更易制作或安装的方向。