固定于刚性底座的 S355JR T 形 stub 连接在 ECCS 规程下的循环响应

《Journal of Constructional Steel Research》：Cyclic response of S355JR T-stub connections tied-to-rigid base subjected to ECCS protocol

　　

摘要
本文展示了关于 S355 JR 级钢材制成的刚性底座连接的钢 T 型接头在 ECCS 循环加载规程作用下的循环行为的实验和数值研究结果。对两组试样进行了二十次试验，翼缘厚度和长度变化，并考虑了指形垫片的存在。有限元模型根据实验结果进行了校准，并用于研究螺栓杆件方向相对于刚性底座对连接极限承载能力和螺栓弯曲需求的影响。实验结果表明，薄板 T 型接头在靠近杆件的截面发生翼缘断裂，相关的累计塑性需求在 500–900 范围内。指形垫片的存在对连接性能影响有限，仅在失效由螺栓断裂控制时才具有明显影响。模型准确反映了所研究试件的循环行为，数值结果强调螺栓杆件方向可能显著影响大位移下的连接响应。螺栓头部与翼缘接触的配置表现出最大的阻力增加。

引言
大量的实验、解析和数值研究致力于调查和预测各种荷载条件下 T 型接头的整体响应 [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]。T 型接头类比的基础最初由 Zoetemeijer [8] 建立，后来由 Jaspart [9] 发展。此后，进行了大量的实验、解析和数值研究来调查 T 型接头的行为以及影响其承载力、刚度和延性的因素 [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26]。

Faella 等人 [10] 研究了螺栓预紧力的影响，而 Piluso 等人 [11] 开发了一种新的模型用于解析评估 T 型接头的变形能力。随后，通过对一组十二个 T 型接头进行实验测试，确认了该解析模型的有效性，这些接头以翼缘抗弯能力与螺栓轴向抗力之比的不同值为特征 [12]。Swanson 和 Leon [13], [14] 通过对 48 个螺栓 T 型接头进行的实验测试，通过实验证明了螺栓连接与焊接连接相比具有高延性。此外，Swanson [15] 为验证估计极限抗力和撬曲力的解析模型做出了贡献。Coelho [17] 和 Coelho 等人 [18] 改进了 [15] 的公式，还考虑到当板的极纤维达到极限应变时或螺栓受拉失效时达到失效条件。

Beg 等人 [19] 提出了一种解析方法来确定力矩连接的转动能力，采用了组分法。通过结合试验数据和数值模拟，推导出了螺栓 T 型接头变形能力的简单解析表达式。

Lemoni 和 Gantes [20] 开发了一种增量预测模型，用于估计 T 型钢连接的机械性能。该模型结合了翼缘内的接触现象，并采用增量程序来追踪这些现象在整个加载历史中的演变。Francavilla 等人 [21] 提出了一种精细化的解析模型，包含了各种复杂性，包括螺栓/板协调要求和螺栓断裂，这对于精确评估极限位移能力是必要的。

Lyu 等人 [22] 提出了一种新颖的力学模型，以全面表示不同失效模式下螺栓 T 型接头的行为。该模型基于一种新的失效模式分类系统，除了经典刚塑性理论的三种模型外，还包括一种涉及螺栓断裂并在板中形成四个塑性铰的失效模式。该模型在捕捉各种失效模式的 T 型接头行为的完整范围，包括变形能力方面，显示出很高的准确性。

Zhao 等人 [23] 也提出了一种解析方法，来确定 T 型接头连接非线性全范围力 - 变形曲线的初始屈服和极限状态，并通过将失效模式 1（即翼缘完全屈服）分为两种次要失效模式，即失效模式 1-翼缘断裂和失效模式 1-螺栓断裂，修订了失效模式的分类。

Piluso 等人 [24], [25] 开发并验证了力学模型，以描述 T 型接头连接的整个力 - 变形响应，但对于连接延性的估计准确性有限。Khani 等人 [26] 提出了一种新方法，以改善考虑撬曲作用的连接刚性底座 T 型接头的预测。

关于撬曲力的作用，de la Croix Kombate 和 Task?n [27] 系统地审查了现有的国际规范和广泛的研究，讨论了 T 型接头和撬曲力的行为，并得出结论，需要额外的研究努力来准确评估变形能力和撬曲效应，特别是在大变形情况下。

2023 年，Neutelers [28] 开发了一种新颖的解析模型，以预测失效模式 1 发生时的 T 型接头屈服抗力。与 EN1993-1-8 [1] 提供的现有方程相比，该公式更精确，更紧密地符合实验结果。

Dai 等人 [29] 提出了一种改进的 EC3 模型，以预测单螺栓和双螺栓 T 型接头的抗力，包括将螺栓力的应用点从螺栓头的轴线移动到杆件一侧的边缘。事实证明，对于每侧杆件双螺栓的配置而不是单螺栓，该方法更准确。

最近，Ozk?l?? 等人 [30] 对 64 个无加劲肋 T 型接头进行了系统的实验研究，并观察到 EC3 通常会高估塑性抗力，特别是在一些经历了明显屈服模式的连接中，其特征是单曲率屈服伴随角部屈服，这是 EC3 未明确解决的。因此，提出了这种额外的屈服模式，将平均试验与预测强度比减少到 1.06，从而显著提高了失效模式和屈服模式预测的准确性。Kendall [31] 调查了加载速率对 T 型接头在刚度、能力和延性方面的性能的影响。

文献中的进一步研究调查了使用背板以增加螺纹长度能力的 T 型接头的性能 [32]，以及 T 型接头灵活性对螺栓中弯曲作用发展的影响 [[33], [34], [35], [36], [37]]。在这一方向上，大量研究 [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44] 强调了大变形下 T 型接头翼缘中薄膜作用的开展，以及由此产生的螺栓中剪切作用的开展。这些研究强调在设计阶段考虑这些作用的必要性，以防止脆性失效，特别是在偶然作用（例如地震或鲁棒性场景）的情况下。

Tartaglia 等人 [44] 通过实验和数值方法研究了初始缺陷和几何非线性对 T 型接头非线性行为和延性的影响。这项研究还表明，当使用厚板且预期失效模式 3 时，使用 HV 或 HR 预紧螺栓 [45], [46] 对 T 型接头行为有显著影响。

然而，大多数现有的实验研究集中在 T 型接头的单调性能上，忽略了累计损伤对 T 型接头失效模式的影响。在这方面，第二代欧洲规范 8 建议符合执行等级 2 (EXC2) 的结构系统使用 J0 质量等级的钢材，符合 EXC3 的系统使用 J2 质量等级。这些要求对于抗震区域后果等级 2 和 3 (CC2 和 CC3) 钢结构的材料选择相当严格。因此，对 JR 质量翼缘的 T 型接头进行循环实验测试可能很有用，以便在验证是否可能放松这种严格条件以供未来规范更新时，估计其累计塑性需求。

文献中很少解决的另一个方面是指形垫片的存在，这通常在现场采用，以填充连接板之间所需的构造间隙，以适应装配过程中的构造公差 [47]。Borello 等人 [48], [49]，Grondin 等人 [50] 以及 Dusicka 和 Lewis [51] 在文献中调查了这些板对剪切连接能力的影响。这些研究表明，单独的填充厚度不会显著降低螺栓连接的抗滑移能力，而多个填充物的存在可能导致抗滑移能力的降低。基于这些发现，AISC 360 [52] 为带有指形垫片的螺栓和抗滑临界连接引入了折减系数和特定的设计规则。此外，连接板之间的间隙需要比板面对面情况更长的杆件，指形垫片可能会限制螺栓杆件，一旦连接屈服且翼缘开始弯曲变形并开展薄膜作用，从而影响其弯曲变形。然而，有限数量的研究调查了这些板对循环条件下连接延性的影响。

在此框架下，本研究旨在调查连接刚性底座的 T 型接头的循环性能，设计为根据 EN1993-1-8 表现出不同的失效模式，重点关注 JR 质量翼缘的累计损伤。因此，进行了二十次实验测试和数值分析，变化翼缘厚度、其长度，并考虑了指形垫片的存在。

本文分为三个部分，如下：(i) 在第一部分，提供了所研究 T 型接头的详细描述，随后是对实验结果的全面分析；(ii) 在第二部分，提出了数值假设和数值模型的验证；(iii) 在第三部分，讨论了数值分析的结果。

部分片段

T 型接头试件设计
总共对两组连接刚性底座的 T 型接头连接进行了 20 次循环实验测试。试件根据 EN1993-1-8 设计，以发展不同的失效模式 (FM)，即 FM 1（即板失效，翼缘中激活四个塑性铰），FM 2（即螺栓失效，靠近杆件形成两个塑性铰），FM 3（即螺栓失效，不开展撬曲力）。关于 FM2，两种次要模式

建模假设
所研究 T 型接头的 3D 有限元数值模型是通过 Abaqus [55] 开发的。数值模型的整个几何结构使用实体 C3D8I 单元（即 8 节点线性六面体加不协调模式）进行网格划分，这避免了剪切互锁，减少了体积锁定 [55]。网格尺寸基于 Tartaglia 等人 [44], [56] 报道的敏感性分析确定，发现板和...的单元尺寸为 4 毫米

螺栓头方向
数值调查了螺栓头方向对 T 型接头行为的影响。在这方面，分析了三种配置，即：i) 配置 1，螺栓头与端板接触，ii) 配置 2，螺栓螺母与端板接触，iii) 配置 3，两个螺栓交替定向。

获得的 L 试件在单调和循环作用下的力 - 位移曲线如图 22 所示。结果显示，结论

结论
在循环加载条件下，通过实验和数值方法调查了八种不同 T 型接头配置的性能。总共进行了 20 次循环实验测试，变化翼缘厚度 (tf)，螺栓到边缘距离 (e)，并在翼缘和刚性支撑之间引入指形垫片。此外，基于校准的有限元模型进行了数值参数分析。基于实验和数值结果，得出以下

CRediT 作者贡献声明
Roberto Tartaglia：写作 – 审查与编辑，写作 – 原稿，可视化，验证，调查，形式分析，数据管理，概念化。Mario D'Aniello：写作 – 审查与编辑，写作 – 原稿，验证，监督，方法论，资金获取，数据管理，概念化。

马西莫·拉图尔：写作 – 初稿，指导，资源，调查。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能看似影响了本文报告的工作。
罗伯托·塔尔塔利亚 | 马里奥·达尼耶洛 | 马西莫·拉图尔
工程系 (DING)，萨尼奥大学，罗马广场 21 号，贝内文托 82100，意大利