高强钢外伸式端板节点性能试验与有限元分析

为了解高强钢端板连接节点的受力性能和失效机理,对Q690和Q960高强钢端板连接节点进行足尺模型试验研究和有限元模拟分析,并将试验结果与采用欧洲规范EC3的计算结果、有限元分析结果进行对比.研究结果表明:节点的失效模式为端板破坏和螺栓断裂;高强钢端板连接节点具有良好的转动能力;EC3中用于普通钢端板连接节点承载能力计算和失效模式预测的组件法可直接用于高强钢端板连接节点,但转动刚度的计算公式并不适用,且EC3关于保障节点转动能力的相关要求对高强钢端板连接节点偏于保守.本文建立的有限元模型可准确模拟该端板连接节点的弯矩-转角关系和失效模式.     

外伸端板节点有限元分析

为考察外伸端板连接中不同端板厚度、螺栓直径、螺栓布置对节点受力性能以及端板强度的影响,采用有限元数值分析软件ANSYS建立半刚性端板连接节点模型进行非线性有限元分析．在建立模型和计算分析过程中考虑了弹塑性、大变形和接触问题．分析结果表明：端板厚度的变化对节点的初始转动刚度、极限转动能力以及抗弯承载力都有不同程度的影响;节点的初始转动刚度随着端板厚度的增加而增加,但节点的极限转动能力却随着端板厚度的增加而减小;设计中建议采用大螺栓、中等厚度的端板,同时螺栓应尽量布置在靠近梁翼缘一侧;传统的T形件方法计算端板强度,其计算结果偏低．     

高强钢梁柱外伸式端板节点常温与火灾后性能参数分析

为了解端板厚度、螺栓直径、螺栓预紧力、柱翼缘厚度、端板钢材强度及过火温度等因素对高强钢端板连接节点力学性能的影响,对薄高强钢端板替代厚普通钢端板这一设计理念进行深入探讨,采用ABAQUS对高强钢端板连接节点进行有限元分析.有限元分析结果表明:端板厚度增加,节点的初始转动刚度和极限承载力提高,转动能力下降;螺栓直径增加,节点的初始转动刚度、极限承载力及转动能力均提高;螺栓预紧力增加,节点的初始转动刚度提高,极限承载力和转动能力基本不变;柱翼缘厚度增加,节点的初始转动刚度提高,极限承载力基本不变,转动能力略有减小;端板钢材强度增加,节点的初始刚度基本不变,极限承载力提高,转动能力在端板钢材强度不超过Q460时基本不变,高于Q460后显著减小;与采用较厚普通钢端板的节点相比,采用薄高强钢端板的节点常温下和火灾后均可达到相似的承载力、相近甚至更高的转动能力;端板连接节点火灾后可能发生失效模式转变,甚至由延性转变为脆性的失效模式.     

端板与柱间灌浆层对端板连接RCS节点抗震性能影响的试验研究

为研究端板与柱间灌浆层对端板连接RCS节点抗震性能的影响,以端板与柱间灌浆层厚度、灌浆层强度以及螺栓预拉力为主要研究参数,进行了4个端板连接RCS节点试件的低周反复加载试验.基于试验数据,研究了各试件的破坏形态、滞回性能、承载能力、刚度退化规律、延性、耗能能力和变形组成等.试验结果表明:强柱弱梁型端板连接RCS节点的破坏形态为梁铰破坏机制,灌浆层出现压碎脱落现象,整个受力过程中钢梁端板、灌浆层和柱面之间连接紧密,未出现滑移现象,端板和RCS节点之间的连接和传力可靠,表现出良好的受力性能.各试件滞回曲线呈梭形,梁端塑性铰充分耗散能量,具有较好的抗震性能;反复荷载作用下端板与柱间灌浆层的损伤累积导致节点延性和耗能能力降低,其降低幅度随灌浆层损伤程度增加而增大;各试件刚度退化规律基本一致,灌浆层的损伤累积导致刚度退化加剧;节点的变形主要来自钢梁的变形,在整个加载过程中,各试件端板连接变形较小,在极限位移角时,试件RCS1、RCS3和RCS4由端板连接变形引起的位移所占比例分别为1.5%、1.8%和2.7%.各试件弯矩-转角关系曲线呈现出明显的非线性特征,试件RCS1～RCS4按刚度分类均属于半刚接节点,节点初始转动刚度随灌浆层厚度增加而提高,但提高幅度有限.     

高强平齐式端板连接火灾下性能试验

采用稳态火灾试验方法,对7个梁柱平齐式端板连接节点在550℃的火灾高温下开展足尺试验研究,得到此类节点在火灾下的受力性能以及失效机理.节点试件包括4个高强钢端板连接节点和3个普通钢端板连接节点,所研究参数为端板材料和端板厚度.为对比分析,同时对上述7个节点试件在常温下的相应力学性能进行试验研究.此外,将试验结果同现行欧洲钢结构设计规范Eurocode3中相应条文进行对比分析.研究表明,无论在常温下还是在火灾高温下,同普通钢端板连接节点相比,采用相对较薄的高强钢端板可在提高节点转动能力的同时不影响其抗弯承载力,从而确保结构整体的安全性能.     

高强钢端板连接节点火灾下性能试验与理论研究

采用稳态火灾试验方法,对7个梁柱平齐式端板连接节点在550 ℃的火灾高温下开展足尺试验研究,得到此类节点在火灾下的受力性能以及失效机理.节点试件包括4个高强钢端板连接节点和3个普通钢端板连接节点,所研究参数为端板材料和端板厚度.为对比分析,同时对上述7个节点试件在常温下的相应力学性能进行试验研究.此外,将试验结果同现行欧洲钢结构设计规范Eurocode3中相应条文进行对比分析.研究表明,无论在常温下还是在火灾高温下,同普通钢端板连接节点相比,采用相对较薄的高强钢端板可在提高节点转动能力的同时不影响其抗弯承载力,从而确保结构整体的安全性能.     

负载下焊接加固钢结构端板连接节点承载性能试验

为研究端板连接节点初始负载对焊接加固受力性能的影响,进行了端板连接节点端板侧焊缝加固的静载试验.试验包括4个不同负载等级,并与文献[2]中未加固的端板连接节点做对比分析,材料类型除10.9级M20高强度摩擦型螺栓外均为Q345B级钢.本文研究了不同负载等级下高强度螺栓的受力特性以及节点域的破坏形式,给出了螺栓的拉力分布状态、节点域的剪切变形以及节点弯矩-转角曲线.     

钢筋混凝土柱-钢梁节点的抗震性能研究

提出了一种新型端板高强螺栓连接的狗骨式削弱钢梁-钢筋混凝土柱节点,通过2个足尺试件的低周反复荷载试验研究了其抗震性能和破坏形态.两组试件的试验结果表明此种节点具有较高的强度和刚度.试件EJ1在钢梁狗骨式削弱区的塑性还没有充分发展前发生了连接破坏,节点耗能能力较差;而试件EJ2由于提高了节点连接质量,在梁端狗骨式削弱区形成塑性铰破坏,节点耗能能力较好,抗震性能优良.建议采取措施提高钢梁和端板的焊接质量,尽量采用工厂焊接来保证钢梁狗骨式削弱作用的实现.     

波纹腹板H型钢梁柱端板螺栓连接节点抗弯性能

提出了一种波纹腹板H型钢梁与普通H型钢柱采用端板螺栓连接的节点构造.基于高强螺栓抗拉性能的刚性端板模型和T形连接件理论,提出波纹腹板H型钢梁柱端板螺栓连接节点的设计方法.进行了2个波纹腹板H型钢梁柱端板螺栓连接节点的静力试验,并使用商用有限元分析软件ABAQUS建立节点的有限元模型,将设计弯矩下的高强螺栓最大拉力的试验结果与有限元计算结果进行对比,证明了高强螺栓拉力计算公式的可靠性;通过对比设计弯矩和有限元计算的端板屈服弯矩,证明了端板厚度计算公式的合理性.     

全高强钢端板节点火灾后性能试验

为了解Q690高强钢端板节点火灾后的受力性能和失效机理,对2个过火550℃冷却后的Q690高强钢端板节点进行足尺模型试验研究,并将试验结果与常温下高强钢端板节点试验的结果、采用欧洲规范EC3计算的结果进行对比.研究结果表明:节点火灾后的失效模式为端板和螺栓组合破坏;高强钢端板节点火灾后仍具有良好的转动能力;EC3中用于普通钢端板节点承载能力计算和失效模式预测的组件法可直接用于计算和预测高强钢端板节点火灾后的承载能力和失效模式,但转动刚度的计算公式并不适用;过火550°C后冷却至常温,节点可恢复常温下90%以上的承载力.最后,给出判断高强钢节点火灾后失效模式的计算公式.     

装配式腋板加强型钢节点抗震性能试验研究

提出了一种梁柱间加设腋板的新型装配式钢管柱工字钢梁节点.为深入研究该节点的抗震性能和受力机理,对2组不同腋板外伸长度的足尺节点模型进行了低周往复荷载作用下的试验研究,对节点的破坏模式、滞回性能、初始刚度、延性系数、刚度退化、耗能性能进行了分析.结果表明:在低周往复荷载作用下,试件在腋板外侧且靠近腋板端部位置的梁上钢材最先发生屈服,2组试件最终的破坏模式均为靠近腋板端部位置的螺栓孔处梁翼缘被拉断.腋板的设置有效转移了塑性铰,起到保护节点的作用,实现了"强连接,弱构件"的抗震设计理念;腋板的设置对提高节点承载力以及节点转动刚度有较大影响;随着腋板外伸长度的减小,腋板传递给梁的竖向荷载越大,使得钢梁越早进入屈服;腋板的加设使得腋板端部位置处的梁翼缘应力高度集中,加之螺栓孔对截面的削弱,使其成为影响节点延性的关键,应对该部位适当加强.     

装配式梁柱内套筒组合螺栓连接节点的力学性能试验研究

为深入研究装配式梁柱内套筒组合螺栓连接节点力学性能,进行了3个十字形1/2缩尺比例节点试件在低周往复荷载作用下的试验研究,对节点的破坏模式、滞回性能、刚度退化、节点核心区剪切变形、弯矩-转角关系曲线等进行了分析.研究结果表明,在低周往复荷载作用下节点的破坏模式主要表现为对穿螺栓被拉断,外伸端板屈曲,柱壁凹屈,柱壁间连接焊缝断裂;上段柱对穿螺栓往复滑移造成的塑性变形集中在柱壁及外伸端板区域并形成塑性铰,节点具有一定的耗能能力,受对穿螺栓贯穿柱壁连接效应影响,在往复荷载作用下出现"对称凹屈"现象;随内套筒厚度增加,节点核心区剪切变形减小,抗剪刚度增加;节点具有一定的转动刚度,表现出半刚性节点性质.提出的装配式梁柱内套筒组合螺栓连接节点可以实现上柱与下柱、梁与柱全装配式连接.     

新型承插式螺栓连接柱-柱节点抗拉性能研究

为实现模块化钢结构单元房间的上下连接,提出一种新型承插式螺栓连接柱-柱节点,以有无注浆、承插深度为参数设计并制作3个足尺节点试件,并对其进行抗拉试验,分析了各节点的破坏形态、应变分布以及承载能力等,探讨了该新型节点的抗拉性能．建立了数值分析模型,进行了轴拉荷载作用下的受力性能参数化分析,研究了承插深度、螺栓直径及内套筒厚度对节点抗拉承载力的影响．基于高强螺栓的抗剪承载力,提出了适用于该新型节点的抗拉承载力计算公式．研究结果表明：该新型节点可将轴向拉力有效传递至高强螺栓,试件破坏时均出现高强螺栓群被剪断,灌浆节点试件发生破坏时,出现钢材与灌浆料界面的黏结破坏及螺栓周围局部灌浆料的压碎;高强螺栓群在拉力荷载作用下呈端部螺栓受剪较大、中心螺栓受剪较小的分布,试件破坏时,各螺栓承受的剪力趋于相等;灌浆节点与无浆节点相比,灌浆料与高强螺栓协同工作性能良好,弹性阶段最大摩擦力平均值提高64.4%,极限抗拉承载力提高14.1%;承插深度由300 mm增至500 mm,节点极限抗拉承载力提高80.9%;承插深度和螺栓直径对节点抗拉承载力影响较大,内套筒厚度对节点抗拉承载力的影响较小;根据提出的节点抗拉...     

法兰攻丝高强螺栓在T型连接中的受力性能试验研究

法兰攻丝高强螺栓连接是一种适用于装配式钢结构的新型连接方式,具有广阔的应用前景.作者主要对其在钢结构梁柱T型连接中的受力性能进行了试验研究,考虑了T型连接翼缘板厚度和螺栓直径2种参数变化时对连接节点受力性能的影响,对10个试件进行了单向拉伸试验,观察了破坏现象,得到了相关的试验数据和结论.试验结果表明,T型连接翼缘板厚度和螺栓直径对连接节点承载能力和法兰攻丝高强螺栓受力具有显著影响.研究可为法兰攻丝高强螺栓的实际工程应用提供参考.     

H型钢梁与矩形钢管柱端板单向螺栓连接节点初始转动刚度性能

进行了6组平齐式、外伸式端板单向螺栓连接节点试验,并在现有研究成果的基础上,分别推导了单向螺栓抗拉刚度、受拉端板抗弯刚度、柱壁抗拉刚度、柱壁抗压刚度和受压外伸式端板抗压刚度的计算式.利用组件法推导了平齐式、外伸式连接节点在弯矩作用下初始转动刚度的理论计算公式.结果表明:给出的节点初始转动刚度的计算式与试验结果吻合较好,精度可满足工程设计的要求.最后,提出了H型钢梁与矩形钢管(RHS)柱端板单向螺栓连接节点的设计建议.     

H型钢梁与矩形钢管柱端板单向螺栓连接节点

进行了6组平齐式、外伸式端板单向螺栓连接节点试验,并在现有研究成果的基础上,分别推导了单向螺栓抗拉刚度、受拉端板抗弯刚度、柱壁抗拉刚度、柱壁抗压刚度和受压外伸式端板抗压刚度的计算式.利用组件法推导了平齐式、外伸式连接节点在弯矩作用下初始转动刚度的理论计算公式.结果表明：给出的节点初始转动刚度的计算式与试验结果吻合较好,精度可满足工程设计的要求.最后,提出了H型钢梁与矩形钢管(RHS)柱端板单向螺栓连接节点的设计建议.     

预应力方套管连接胶合木梁柱节点抗弯试验

提出在胶合木结构中采用预应力方套管螺栓连接,该连接采用高强螺栓和钢套管作为连接件.通过单调加载和往复加载下的梁柱节点抗弯试验,对比了方套管节点和传统螺栓群连接节点的破坏模式、弯矩-转角曲线、滞回曲线、强度、刚度和耗能性能.结果表明,由于摩擦阶段钢管与钢板间的摩擦力确保了初始传力,套管节点的初始转动刚度显著提升,耗能能力也得到改善.     

木结构钢填板预应力套管螺栓连接试验

针对木结构螺栓连接初始刚度低的问题,提出了一种新的连接形式——钢填板预应力套管螺栓连接.在这种连接形式中,张拉后的螺杆使放置于木孔内且紧贴木孔壁的套管顶紧钢填板;在节点受力初期,主要利用钢填板与套管间的摩擦力抵抗钢填板相对于木槽的滑移.为研究连接性能,对单个新连接节点以及普通螺栓连接节点进行了抗拉试验,试验结果表明,新连接节点具有较好的承载力和刚度;在控制节点受力的情况下,节点延性也较合理.另外,考虑到《木结构设计规范》GB5005-2003对销轴类连接节点顺纹端距的严格要求,又对一组端距小于规范要求的单个新连接节点进行了顺纹抗拉试验,试验结果表明,小端距的新连接节点承载力和刚度仍优于普通螺栓连接节点;同样,在控制节点受力的情况下,节点延性也较合理.     

装配式钢结构梁柱内套筒组合螺栓连接节点力学性能研究

为深入研究装配式梁柱内套筒组合螺栓连接节点力学性能,采用理论分析方法推导了组合螺栓连接节点的初始转动刚度计算公式,对7个节点试件建立了ANSYS有限元模型进行单向静力加载数值模拟分析.研究了内套筒厚度、端板厚度、加强肋板、制作误差等对节点力学性能的影响.研究结果表明,节点刚度随内套筒厚度增加而增大,增加内套筒厚度是提高节点刚度的有效手段,但内套筒厚度过大不够经济,建议实际工程中,内套筒厚度大于柱壁厚度2,mm;内套筒与柱壁安装间隙过大会显著降低节点刚度,应尽可能减小制作误差,将内套筒与柱壁安装总间隙控制在4,mm之内;端板厚度对节点初始转动刚度影响不明显;节点初始转动刚度理论计算公式与有限元数值计算结果取得了较好的一致性.本文研究内容可为装配式钢结构梁柱连接节点的理论分析和工程应用提供参考.     

新型PEC柱——钢梁端板连接组合框架抗震机理数值模拟

为了研究新型卷边PEC柱—钢梁组合框架的抗震机理,本文针对1榀两层单跨设置预拉对穿螺栓短端板连接新型卷边PEC-钢梁组合框架结构试验试件,采用商业有限元软件ABAQUS对其进行水平循环往复荷载下的抗震性能数值模拟。基于模拟结果,对试件结构滞回性能、水平抗侧刚度、耗能能力、节点连接力学性能、层间传力机理和破坏机构等方面抗震性能进行分析。研究表明:试件结构具有较高承载力和较大的抗侧刚度,且加载初期两层初始抗侧刚度差异明显,随着加载损伤进程的发展其差异不断减小;试件结构水平力作用引起的倾覆弯矩受压侧下层PEC柱承担层间水平总剪力58%,而上层PEC柱平均分担层间剪力,且试件层间侧移变形表现为剪切型变形模式;试件耗能能力由梁端端板附近截面屈服和PEC柱脚钢构架屈服与混凝土压溃提供,且上下层耗能分布基本均匀;PEC柱与钢梁端板预拉对穿螺栓连接具有较强的转动能力,且端板预拉对穿螺栓形成了节点区混凝土斜压带传力模式和提供了节点连接部分自复位功效;试件最终破坏模式为梁端附近截面充分屈服和PEC柱脚部位钢构架屈服与混凝土压溃形成塑性铰的塑性破坏机构,对上下层层间侧移和节点连接转角分别为0.051 rad、0.042 rad和0.045 5 rad,均超过大震对应层间侧移限值1/30的要求,即该试件结构具有良好的抗震延性。