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.     

高强钢外伸式端板节点火灾性能试验与数值分析

对1个Q690和2个Q960高强钢外伸式端板连接节点进行高温550℃下的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现行钢结构设计规范EN 1993-1-8的计算结果及有限元分析结果进行对比.结果表明,550℃时,Q690和Q960高强钢端板连接节点的承载力分别为常温时的45%和46%,初始转动刚度为常温时的57%和65%,但转动能力分别为常温时的1.43倍和1.66倍.EN 1993-1-8中基于普通钢端板连接节点常温力学性能所提出的组件法可直接用于预测高强钢端板连接节点火灾下的失效模式和承载能力,但初始转动刚度的计算公式并不适用,且采用EN 1993-1-8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进行抗火设计偏于保守.有限元模型可准确模拟该端板连接节点火灾下的弯矩转角关系和失效模式.     

高强钢平齐式端板连接节点火灾后性能数值研究

采用Abaqus软件对高强钢平齐式端板连接节点火灾后性能进行模拟,结果表明有限元模型能准确模拟节点的弯矩-转角关系、节点失效模式和应力分布等.在此基础上,对端板采用Q460高强钢和Q345普通钢的节点进行参数分析.结果表明:在历经550℃火灾高温并冷却后,节点力学性能未发生明显退化;端板材料对节点初始刚度无影响,但对节点承载力影响显著;与采用较厚普通钢端板的节点相比,采用较薄高强钢端板的节点可实现相近的承载力甚至更高的转动能力.     

高强钢端板连接节点弯矩-转角曲线数学模型

为预测高强钢端板连接节点在常温、火灾下及火灾后的弯矩-转角曲线,以四参数指数模型为基础,基于组件法和等效T型连接,提出了初始刚度、屈服后刚度和抗弯极限承载力的计算方法,将计算结果代入四参数指数模型得到预测高强钢端板连接节点弯矩-转角曲线的方法;与足尺试验中Q690和Q960高强钢端板连接节点在常温、火灾下及火灾后的共10组试验结果进行对比。结果表明,抗弯极限承载力的计算结果与试验值较吻合,其中Q960的相对误差在5%以内,初始刚度的计算结果比欧洲钢结构设计规范(EN 1993—1-8)的结果更接近试验值,预测的Q960高强钢端板连接节点弯矩-转角曲线与试验结果吻合,而Q690预测结果偏于安全。     

高强钢平齐式端板连接节点火灾后力学性能试验研究

火灾后,钢构件残余应力和变形的重新分布,导致钢结构整体在火灾后可能比火灾高温作用下更加危险.节点对钢结构整体安全性至关重要,为研究高强钢平齐式端板连接节点火灾后的力学性能,采用稳态试验方法对经历550℃的火灾高温并冷却至常温的7个端板连接节点进行试验,得到节点火灾后的变形状态、弯矩-转角关系曲线以及失效模式等.同时,将试验结果与普通钢端板连接节点过火后的力学性能进行对比分析.此外,将试验结果同现行欧洲钢结构设计规范Eurocode3中相应条文进行比较.研究表明:通过合理的节点设计,与采用较厚普通钢端板的节点相比,采用较薄高强钢端板的节点可实现相同的节点失效模式、相近的剩余承载力以及更高的(至少是相当的)节点转动能力;同时,欧洲钢结构规范Eurocode3中有关节点塑性抗弯承载力的条文适用于高强钢平齐式端板连接节点火灾后塑性抗弯承载力的预测.     

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.     

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.     

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.     

火灾下高强钢端板连接节点力学性能有限元分析

为研究高强钢端板连接节点在火灾作用下的力学性能,对7个梁柱端板连接节点在550℃的火灾高温下进行足尺试验研究.依据试验结果,采用通用有限元件ABAQUS建立高强钢端板连接节点有限元模型,从网格划分、单元种类选择、接触定义、分析步设置以及失效准则的确定等方面详细介绍建立模型过程,并得到高强钢端板连接节点在火灾下和常温下的弯矩-转角关系曲线、破坏模式以及端板的应力分布和屈服线模式.同时,将有限元分析结果同试验研究结果进行对比校验,结果显示,该有限元模型具有足够精确性.     

高温下与高温后Q550D高强钢材料力学性能试验

高强钢具有强度高、韧性好、可焊性优良等优点,其在土木工程中的应用越来越广泛.高强钢在火灾下的力学性能是钢结构抗火设计的重要影响因素.为获取高温下与高温后Q550D高强钢材料的力学性能,基于稳态试验方法,对Q550D高强钢开展了拉伸试验,考察了不同冷却方式(自然冷却与浸水冷却)与过火温度对Q550D高强钢力学性能的影响,获取了不同温度工况下Q550D高强钢的应力-应变曲线和高温下与高温后各项力学性能参数指标(弹性模量、屈服强度、抗拉强度和极限伸长率)的折减系数,并将试验结果与已有规范和文献结果进行了对比分析.结果表明:高温下Q550D高强钢的弹性模量、屈服强度、抗拉强度随着试验温度的升高而逐渐下降,其折减系数均低于各国规范的取值;当温度超过400℃时,高温下Q550D高强钢的弹性模量、屈服强度和抗拉强度下降明显,当温度超过700℃时,3个力学性能指标均接近于零;不同冷却方式与过火温度对Q550D高强钢的弹性模量影响不大;当温度低于600℃时,高温冷却后Q550D高强钢的屈服强度和抗拉强度的折减并不明显,当温度超过600℃时,屈服强度和抗拉强度显著下降,且自然冷却方式下的下降程度更大;高强钢与普通钢高温冷却后的屈服强度与抗拉强度存在较大差别.     

Q690D高强钢箱形截面柱的滞回性能

为深入研究Q690D高强钢焊接箱形截面柱的滞回性能,在低周反复加载试验的基础上,对Q690D高强钢焊接箱形截面柱在低周反复荷载作用下的滞回反应进行有限元模拟,从试验和有限元分析所得的滞回曲线和骨架曲线看,Q690D高强钢焊接箱形截面柱的滞回曲线饱满,耗能能力良好.通过和试验结果的对比,验证了所建有限元模型的正确性.利用已验证的有限元模型分析了轴压比、构件长细比、壁板宽厚比对高强钢焊接箱形截面柱滞回性能的影响,分析结果表明高强钢柱的二阶效应影响不可忽略.在试验与有限元分析的基础上,提出Q690D高强钢焊接箱形截面柱的弯矩-曲率滞回模型,为Q690高强钢结构的弹塑性地震反应分析提供依据.研究结果表明,该滞回模型能够准确预测Q690D高强钢焊接箱形截面柱的滞回性能.     

轴心受压高强焊接圆钢管局部屈曲性能研究

建立四种屈服强度圆管短柱的有限元模型,和既有的试验数据对比,验证了圆管的细长极限,并评估了局部屈曲对极限承载力的影响.对圆管残余应力的类型进行梳理并研究三种主要残余应力模型对Q550、Q690、Q800、Q960圆管极限承载力的影响.研究径厚比与极限承载力的关系,结果表明:随着径厚比的增大,极限承载力明显降低;圆管的长...     

循环荷载作用下高强螺栓端板节点抗震耗能性能

为研究高强螺栓端板节点的抗震耗能性能,进行了7个连接件的循环加载试验,分析了钢管和螺栓的两种典型破坏模式以及钢管柱壁厚、螺栓直径、螺栓孔横向间距、螺栓个数,以及钢管柱截面尺寸对连接件耗能能力的影响。研究结果表明:高强螺栓端板连接件的破坏模式与钢管管壁厚度和螺栓强度有关;增大钢管柱壁厚、螺栓直径和截面尺寸以及增加螺栓个数和减少截面尺寸均能提高节点的耗能能力,增大钢管柱壁厚对节点的耗能性能的提高最为显著。     

新型钢框架焊接节点抗震性能试验与数值分析

为提高钢框架焊接节点的抗震性能,提出一种盖板加强与腹板开孔削弱并用的新型节点构造形式. 对4个不同构造形式的钢框架焊接节点试件（标准型、盖板加强型、腹板开孔削弱型、新型）进行了低周往复加载试验及有限元分析,对比研究了梁端局部构造形式对钢框架节点破坏模式、滞回性能、承载力、刚度退化、延性及耗能能力的影响. 结果表明：相比标准节点,采取局部构造措施的节点均实现了塑性铰外移,使得破坏模式由梁柱连接焊缝处脆性破坏转换为梁局部塑性破坏;塑性变形能力及耗能能力显著提高;塑性应变累积加剧板件局部屈曲,造成强度、刚度逐步退化,抗震性能更优越. 新型节点在承载力、刚度基本不变的前提下,延性及耗能能力分别增加了20.0%、27.9%,验证了该类节点的可行性. 文中建立的基于应力三轴度损伤准则的有限元模型可有效预测各类型钢框架焊接节点在循环荷载作用下的受力性能.     

高强度Q460钢高温蠕变性能

为了研究高强度Q460钢的高温蠕变对钢结构抗火性能的影响,采用高温蠕变试验装置测试了高温下高强度Q460钢材在不同应力水平下的蠕变应变随时间的变化曲线.根据试验数据,在现有蠕变模型的基础上拟合了高强度Q460钢材的高温蠕变模型.在有限元结构分析中引入钢材高温材料力学性能和蠕变参数,分析了考虑高温蠕变后轴心受力Q460钢柱的抗火性能.研究表明,高强度Q460钢材在高温和应力作用下具有明显的蠕变变形,在同一温度和时间下,蠕变应变随应力水平的提高明显增加;考虑蠕变效应后,在标准(ISO-834)的升温条件下,钢柱的耐火极限明显降低;在恒定温度下,钢柱的极限承载力随着时间的增加急剧降低,因而结构的抗火承载力设计需要考虑受火时间的影响.     

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.     

咬合式高强螺栓连接抗剪承载力试验和数值模拟

在传统高强螺栓连接的基础上,研发了新型咬合式高强螺栓连接.进行了4个传统高强螺栓连接和14个咬合式高强螺栓连接的抗剪承载力试验,详细介绍了试验过程,描述了试验现象.试验结果表明,咬合式高强螺栓连接的破坏模式主要为板件错动破坏;连接板表面刨槽处理可大幅提高连接承载力;螺栓预紧力越大,连接承载力越高;连接板的刨槽深度越大,连接承载力越高.建立了有限元模型,将数值分析获得的破坏模式、荷载-位移曲线与试验结果进行比较,验证了二者的一致性,表明数值模型可用于后续大规模数值分析.