带长度可调梁的可修复L形螺栓拼接接头的滞回性能

《Engineering Structures》：Hysteretic performance of reparable L-shaped bolted splice joint with length-adjustable beam

　　

摘要

全螺栓装配式钢结构代表了一种主流的发展趋势，但现有的梁柱节点对制造和安装精度要求严格，从而限制了其广泛应用。本文提出了一种全螺栓装配式钢结构系统中主梁模块两端采用的两种节点形式，其中之一为长度可调梁L形螺栓拼接节点（LBSJA），另一种为全螺栓L形梁拼接节点（BLBJ）。这些节点显著简化了组装和施工过程。设计了两个节点试件，以研究LBSJA节点的滞回性能，每个试件均经历两次循环加载方案。第一次加载方案中，位移角从0% Rad逐步增加至2% Rad，这代表了强震条件下的最大允许位移角。第一次加载试验后恢复残余位移角。第二次循环加载方案用于研究强震作用后修复LBSJA节点的滞回行为。第二次滞回试验采用逐步增加的循环位移角，从0% Rad开始，持续进行直至节点最终失效。通过两次循环滞回加载试验验证了LBSJA节点的可修复性和令人满意的滞回性能。此外，建立了有限元（FE）模型，以研究两个加载阶段中螺栓张力的演变和耗能机制。进行了参数分析，以量化关键设计参数的影响，包括装配间隙宽度、螺栓布置、端板厚度、加劲肋配置和摩擦系数。推导出了理论公式，可预测LBSJA节点的滑移、屈服和极限抗弯承载力，为实际工程应用提供参考。

引言

在钢框架系统中，梁柱节点是内力传递、结构几何稳定性维护、侧向刚度提供和抗震耗能的关键构件，钢框架的承载能力、刚度、延性和抗震安全性直接受节点影响。目前，工程应用中广泛采用焊接节点[1,2]、螺栓焊接混合节点[3,4]和全螺栓节点[5,6]。全螺栓节点具有施工便利、制造质量可控、良好的可拆卸性和可重复使用性等优点。然而，由于螺栓用量大、制造成本高、对制造和安装精度要求严格，全螺栓节点的工程应用与焊接和螺栓焊接混合节点相比仍有限制。

端板节点因其刚度大、螺栓数量少而在实际工程中广泛应用。端板节点通常分为延伸端板节点[7]和平齐端板节点[8]。与平齐端板节点相比，延伸端板节点表现出更优异的刚度和延性[[9], [10], [11]]。对于延伸端板，在延伸段增加加劲肋可有效优化与端板连接螺栓的受力分布[12]。Chen和Shi等人[13,14]研究了超大承载力端板节点的破坏模式和弯矩-转角关系，揭示了端板厚度对连接性能有显著影响，并随后提出了此类节点抗弯承载力的简化设计方法。Zhou等人[15]研究了薄柔PEC柱与钢梁之间端板连接的抗震性能，并建立了考虑填充混凝土压贡献的承载力计算方法。Eladly等人[16]揭示了端板连接表现出令人满意的延性和转动能力，端板加劲肋有效降低了连接构件的应力水平。

主梁采用负公差制造，以便于端板节点的安装，使得梁长设计略短于柱距。安装时，需要使用垫块填充端板与柱壁之间的间隙，这不可避免地降低了节点的力学特性[17,18]。端板节点的耗能主要通过塑性变形实现，导致其延性低于摩擦耗能节点。作者的研究团队提出了双拼接板节点[19]和Z形节点[20,21]以实现摩擦耗能和高延性，然而此类基于摩擦的节点初始刚度低于传统端板节点。

因此，为解决端板节点需采用负公差制造和摩擦型节点初始刚度低的缺点，本文为螺栓组装结构系统中的主梁模块两端提出了两种新型全螺栓拼接连接形式，即长度可调梁L形螺栓拼接节点（LBSJA）和全螺栓L形梁节点（BLBJ）。该系统可实现摩擦耗能，主梁模块长度可调以方便组装。因此，无需使用垫块填充由制造负公差产生的间隙。本研究通过试验和有限元（FE）模拟研究了系统内LBSJA节点的滞回性能。每个节点试件进行了两次加载试验。第一次加载试验设计用于模拟大地震下的滞回行为。修复第一次加载试验引起的残余位移角后，进行第二次加载试验以探索LBSJA节点在地震后修复后的滞回性能。此外，建立了有限元模型以评估装配间隙、端板厚度、螺栓布置、摩擦系数和加劲肋对LBSJA节点滞回性能的影响。同时，提出了滑移、屈服和极限抗弯承载力的计算公式，并进行了验证。

章节摘要

试验设计

本文提出了一种全螺栓装配式钢结构系统。设计了属于该系统的两个LBSJA节点试件，并进行拟静力循环试验以研究LBSJA节点的滞回性能。

结论

本文提出了一种具有LBSJA和BLBJ节点的全螺栓装配式钢结构系统。对系统内的LBSJA节点进行了拟静力试验和有限元分析，以研究其滞回性能和可修复性。系统地分析了破坏模式、滞回曲线、骨架曲线和耗能能力。

• (1)
  对两个LBSJA节点进行了拟静力循环试验，每个试件均经历两次加载方案。在

CRediT作者贡献声明

王森平：写作–审阅与编辑、写作–初稿撰写、可视化、验证、软件、方法学、正式分析、数据整理。刘雪春：写作–审阅与编辑、验证、监督、项目管理、经费获取、概念化。周伟：验证、监督、软件、方法学。李传豪：可视化、监督、方法学、经费获取。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的可能影响本文报告工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金重点项目（资助号52130809）；中国博士后科学基金（资助号2025M783248）；北京博士后科学基金（资助号2026-ZZ-004）的支持。

王森平|刘雪春|周伟|李传豪

北京工业大学 地震工程与结构改造北京市重点实验室，北京，100124，中国