钢箱柱中无焊接预应力榫卯连接接头的准静态试验与力学性能研究

《Journal of Building Engineering》：Quasi-Static Test and Mechanical Performance Study on Welding-Free Prestressed Mortise-Tenon Connection Joints in Steel Box Columns

　　朱影杰|薛青毅|郭彩霞|曾向达
华北理工大学土木工程学院，北京100144，中国

摘要
为了提高预制建筑中柱子组装的效率和质量，同时解决箱形柱接头相关的复杂焊接问题，本文提出了一种无焊接的预应力榫卯连接方式用于箱形柱。三个全尺寸试件（包含两个榫卯接头和一个焊接接头）在四种准静态载荷下进行了测试。观察结果表明，当榫头和卯口的接触面积不足且施加的轴向力和预紧力较小时，会发生明显的滑动和噪音，导致构件刚度和能量耗散性能下降。增加轴向力和钢筋预紧力可以有效减少滑动并改善接头性能。此外，在卯口加固件之间添加钢板可以增大接触面积，从而使榫卯接头的整体机械性能与全焊接试件相当。在实验研究之后，建立了详细的有限元模型，并进行了全面的参数分析。随后，对榫卯接头的弹性阶段进行了理论分析，并将提出的弹性承载能力公式与试验结果进行了验证。最后，讨论了榫卯接头的力传递机制和失效模式。该接头主要通过接触表面的挤压和摩擦来实现可靠的力传递，这得益于垂直载荷和钢筋预紧力的共同作用，从而产生稳定的界面压力。然而，接触面积不足可能导致加固件局部屈服和接头滑动。

引言
预制建筑对于推动建筑创新和可持续发展至关重要，具有缩短项目周期和减少环境污染等显著优势[1] [2]。由于预制钢结构的高效率和优异的结构性能以及可持续性，其发展势头加快。目前的研究主要集中在预制钢结构中的梁-柱接头[3] [4]，而对柱-柱连接的研究相对较少。作为这些结构的关键组成部分，柱-柱连接的机械性能会显著影响整体结构的完整性[5] [6]。在工程实践中，通常使用封闭截面箱形柱，其连接通常通过现场全穿透焊接实现。尽管一些学者提出了优化焊接接头的方法[7] [8]，但现场焊接仍然面临质量不稳定、效率低下和环境污染严重等问题[9]。因此，迫切需要研究无焊接的箱形柱连接节点。

早期关于柱连接的研究主要集中在法兰连接上，实验和理论研究表明[10] [11] [12]，仅使用法兰的连接由于其刚度不足而限制了其适用性。为了克服这一限制，引入了套管连接[13] [14] [15]。在这方面，刘等人[16]提出了一种内套管螺栓连接的柱连接方式，其中螺栓剪切成为主要的失效模式。刘等人[17]提供了类似方形钢管接头的承载能力补充数据。杨等人[18]开发了一种新型法兰连接方法，能够补偿施工误差，并展示了直径小于400毫米的小截面混凝土填充钢管柱的优异机械性能，旨在促进多层预制复合柱框架中的快速柱-柱连接。张等人[19]提出了一种分离式芯管法兰连接的柱接头，证明其机械性能与焊接连接相似，从而实现了钢管柱的刚性连接。刘等人[20] [21]对法兰连接的钢管柱进行了压缩、弯曲和剪切试验。刘等人[22]研究了预制高层钢结构中柱-柱螺栓法兰连接的弯曲-剪切性能，提供了这些连接在高层环境下的机械性能的深入见解。Couchaux等人[23]将法兰连接的研究扩展到圆形截面柱上，研究了在静态弯曲和轴向力作用下的螺栓圆形法兰。范等人[24]提出了一种单侧高强度螺栓连接的封闭截面钢管柱，表现出优异的抗滑性能和承载能力。张等人[25]开发了一种插焊芯管法兰连接的箱形柱，显著提高了刚度、承载能力和滞回性能。Long等人[26]探讨了复合柱连接，提出了创新的设计概念。刘等人[27]研究了H型梁与高强度钢柱之间的连接，为预制系统中的集成设计提供了宝贵见解。

除了传统的柱-柱连接外，研究人员还研究了一系列替代策略。例如，在钢结构领域，王等人[28]对预制钢结构模块系统中柱-柱-梁接头的抗震性能进行了实验评估，并将其分析扩展到多节点配置。同样， Mou等人[29]开发了一种用于钢筋混凝土填充钢管复合柱的新型无焊接连接，并验证了其抗弯性能。在力传递机制方面，李等人[30]提出了一种将H形钢梁与混凝土填充钢管柱连接的预制接头，确认了柱-柱接口内的力传递效果。

在全预制柱的背景下，王等人[31]设计了一种可更换的能量耗散接头，有助于地震后快速恢复抗震功能，并提高组装和拆卸效率。同时，钟等人[32]研究了采用创新连接的预制柱的剪切行为，并建立了相应的分析模型，从而丰富了这类新型接头系统的机械性能研究。在这些研究中，张等人[33]研究了预应力钢筋在预制柱-柱连接中的应用，提供了新的见解。余等人[34]开发了一种方形钢管榫卯梁-柱连接，具有超高的承载能力。此外，杨等人[35]设计了一种预制钢柱-柱连接系统，由上下柱、角钢、摩擦装置和后张钢筋组成，表现出优异的抗震性能。

在传统木结构领域，甘等人[36]观察到用钢板加固木制榫卯接头的中间部分可以减轻拔出变形并改善抗震性能，尽管这种方法对接头的整体承载能力影响有限。在钢-混凝土复合结构领域，严等人[37]表明，虽然预制钢筋混凝土柱的承载能力略低于现浇试件，但其延展性和能量耗散能力显著提高，这归因于连接中的独特变形机制。近年来，张等人[38]将木结构中常用的传统榫卯结构整合到了多孔柱的设计中。王等人[39]专注于集成套管型榫卯钢木复合材料接头，并改进了钢木复合材料榫卯的设计理论。这些研究表明，榫卯接头在多个结构领域的应用取得了显著进展。然而，现有研究仍然集中于特定类型榫卯结构的静态力学特性分析，尚未对无焊接预应力钢箱形柱接头进行系统性研究。

基于传统榫卯结构中的力传递机制，本文提出了一种创新连接方法，称为无焊接封闭截面钢柱榫卯预应力连接，以下简称“榫卯连接”。为此，我们首先详细描述了与榫卯连接相关的结构形式、制造和组装技术。对两个使用榫卯连接的试件和一个使用全穿透焊接的试件进行了四种准静态测试。研究重点关注轴向载荷、钢筋预紧力和榫卯接触面积对各个方面的影响，包括失效模式、滞回性能、初始刚度和退化规律、承载能力退化、能量耗散能力和试件内的应变发展。使用ABAQUS软件建立了适当的有限元（FE）模型，并提出了榫卯连接的建模策略，并用试验数据进行了验证。随后，通过FE分析进行了全面的参数研究。最后，基于理论分析推导出弹性承载能力公式，并根据试验结果进行了验证，然后对提出的榫卯连接进行了全面讨论。

榫卯连接的特点使其具有广泛的工程应用性。其无焊接的组装特性可以解决城市高层预制钢结构住宅中高海拔焊接的空间和环境挑战。此外，其可拆卸和可重复使用的特性可以满足模块化建筑中钢箱柱的二次利用和快速组装要求。

**接头结构**
所提出的榫卯连接由三个部分组成：卯口端、榫头端和钢拉杆（如图1所示）。榫头端呈中空梯形，焊接在下柱的顶部，内部带有加强肋条以提高局部稳定性。在靠近榫头的柱子周围，战略性地布置了带有加强肋条的角钢。卯口端为开放式结构，钢板厚度显著增加。

**试件设计**
制作了三组全尺寸的交叉节点试件：两组使用榫卯连接的柱子（MTCB和MTJ-S），一组使用全焊接连接的柱子（WCB）。对这些试件进行了一系列四次准静态加载测试，测试细节和参数如表1所示。值得注意的是，MTCB试件进行了两次测试——首先是MTCB1，施加较小的垂直轴向力，然后是第二次测试MTCB2。

**有限元分析**
FE分析使用ABAQUS/Standard软件进行，所有结构构件均离散为8节点实体元素（C3D8R）。由于榫卯接头的复杂几何形状，对榫头区域采用了自由网格技术，因为结构化网格不够适用（图7）。上下柱的网格尺寸为50毫米，而钢拉杆的网格尺寸为20毫米。钢材的弹性模量（Es）和泊松比适用...

**一般行为**
在MTCB1垂直载荷为300 kN的情况下，当水平载荷达到150 kN时开始出现轻微滑动。随着载荷增加到300 kN，榫卯区域内出现了更明显的滑动，并伴有摩擦噪音。在后续加载阶段，滑动逐渐加剧。在循环加载条件下，小位移时出现了明显的滑动噪音，一旦滑动达到某个阈值，噪音停止。

**参数分析**
以MTCB2作为基本模型，系统地研究了关键设计参数的影响，包括钢拉杆的直径（Dr）、环形板的厚度（tA）、每侧榫卯接触面的数量（n）、榫卯接触面的摩擦系数（μ）、垂直载荷（FN）和钢拉杆的预紧力（FP）。摩擦系数的取值范围是根据摩擦特性确定的...

**弹性承载能力的理论评估**
由于榫卯滑动和弹塑性效应导致的复杂非线性行为，本节重点分析了接头在弹性范围内的承载能力。为此，建立的理论框架基于以下基本假设：（i）材料假设为均匀分布和连续变形；（ii）产生的位移足够小，可以忽略几何非线性；...

**讨论**
测试和FE分析结果表明，影响榫卯接头性能的主要因素是接触表面的处理方式和卯口与榫头之间的压缩力。接头区域主要通过榫卯接触表面的挤压和摩擦传递弯矩。然而，如图25(a)和25(b)所示，加工误差可能导致榫头与卯口内加固件之间的接触不充分。

**结论**
本文提出了一种创新的无焊接箱形柱连接方法，采用预应力钢拉杆和榫卯结构。通过准静态测试、基于FE的分析和理论评估，适当检验了所提出的榫卯连接的机械性能。本研究的主要结果总结如下：
(1) 影响榫卯接头性能的主要因素包括...

**作者贡献声明**
薛青毅：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、形式分析。
郭彩霞：验证、监督、项目管理。朱英杰：写作——审稿与编辑；写作——初稿撰写；方法论研究；资金筹集；概念化设计。曾向达：声明无利益冲突? 作者声明他们没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。
致谢
作者衷心感谢国家自然科学基金委员会（项目编号：52108103 和 52578151）以及北京市教育委员会研发计划（项目编号：KM202210009007）的支持。