高强度钢框架梁柱节点低周疲劳断裂性能试验研究

高强度钢结构节点的低周疲劳断裂性能是影响其抗震性能的关键因素,对于高强度钢结构的抗震设计及其在抗震区的推广应用至关重要。为研究受强震作用高强度钢结构节点的低周疲劳断裂性能,完成了4个高强钢框架栓-焊混接梁柱节点足尺试件的低周疲劳往复加载试验,包括2种不同的焊接孔形式和4种焊接工艺,测得各试件的断裂失效模态及承载性能。基于试验结果,分析了焊接工艺细节及焊接孔形式、钢材强度对高强钢框架梁柱节点断裂性能的影响,研究了这类节点的断裂失效机制。结果表明：当采用有效的构造改进措施,且翼缘焊缝质量得以保证时,高强度钢框架梁柱节点破坏前能承受较大的塑性变形,断裂性能良好。     

等效结构应力法的焊接疲劳评估

为了在设计阶段准确地计算出空间任意走向的焊缝疲劳寿命,采用等效结构应力法对管状T型焊接接头的疲劳寿命进行了评估。建立了3种网格尺寸的管状T型焊接接头有限元模型,并计算结构应力。运用FE-weld疲劳评估软件计算出焊缝处的应力循环次数,并与试验数值进行比较。比较结果表明:等效结构应力法对焊接接头疲劳评估具有网格不敏感性和较高的准确性。     

焊接工艺孔对梁柱节点滞回性能的影响研究

为了研究焊接工艺孔的细部尺寸对钢框架梁柱节点滞回性能的影响,运用有限元软件ABAQUS对10个不同焊缝通过孔细部尺寸的节点试件进行模拟分析。首先,根据已有梁柱节点循环加载试验对有限元建模方法进行有效性验证。然后,分别根据我国GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》和美国FEMA-350推荐的焊缝通过孔形式建立有限元模型,研究焊缝通过孔的细部尺寸对节点滞回性能的影响。研究结果表明:采用FEMA-350推荐的焊接工艺孔形式的梁柱节点的初始刚度与我国标准节点相近,但其承载能力较标准节点有所降低,梁下翼缘焊缝处的应力水平明显降低,可以减小焊缝脆断的风险;随着开孔的末端梁腹板距柱翼缘表面的距离a及开孔斜线段的水平长度b的增大,承载能力逐渐降低。综合考虑梁柱节点的滞回性能及梁下翼缘焊缝处应力分布,建议开孔的末端梁腹板距柱翼缘表面的距离a及开孔斜线的水平长度b分别取60 mm和30 mm。     

地震荷载作用下新型削弱型梁柱节点力学特性研究

地震荷载作用下,梁柱节点焊缝处易造成脆性破坏,合理的钢梁开孔易引起梁柱节点应力外移。对此,文章提出了一种在翼缘及腹板均开孔的新型梁柱节点,并通过数值模拟分析了地震作用下新型节点的力学性能,得出了以下结论:合理的开孔并不会明显的降低钢梁的承载能力;开孔后的梁柱节点应力略大于未开孔的节点;未开孔的节点应力最大位置位于全焊缝处,开孔后的节点应力最大位置位于翼缘开孔处,全焊缝处应力降低;开孔后节点在全焊接部位的塑性区域明显降低;合理的翼缘与腹板开孔在一定程度上可以降低节点全焊缝处脆性破坏的风险。     

梁端翼缘削弱型节点空间钢框架抗震性能试验研究

为研究梁端翼缘削弱型节点钢框架的抗震性能,设计钢框架试验加载装置,进行1∶3缩尺比例的2榀2层1跨梁端翼缘削弱型节点空间钢框架的低周往复荷载试验,研究其受力特点及破坏形态,对模型框架结构的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、承载力退化、塑性耗能能力等抗震性能进行分析。试验结果表明:空间钢框架的8个梁端翼缘削弱型节点塑性铰均外移至圆弧削弱区域,所有节点的梁柱连接焊缝均未出现裂缝,荷载-位移滞回曲线饱满,破坏时结构位移延性系数介于3.05~3.82之间,等效黏滞阻尼系数介于0.34~0.41之间,弹塑性极限位移层间转角介于0.035 5~0.044 5 rad之间。钢框架梁柱连接采用圆弧削弱型节点可使梁端应力平缓过渡,避免梁柱连接焊缝处产生应力集中现象,钢框架塑性内力重分布后对圆弧削弱型节点的耗能性能没有明显影响。圆弧削弱型节点在钢框架中表现出较好的延性性能,提高了钢框架整体结构的抗震性能及塑性耗能能力。     

基于椭球面屈服模型的钢框架梁柱节点断裂分析

为研究钢框架梁柱节点受力情况,对节点进行基于椭球面屈服模型的数值模拟和断裂分析,结果显示:模拟结果吻合较好,建议的屈服模型对预测钢框架节点开裂具有一定的适用性。翼缘削弱,塑性铰外移,断裂指数CI达到峰值,初始裂纹形成于翼缘对接焊缝中部。可用系数K=1.87近似等效考虑模拟过程中焊接缺陷和残余应力不利影响。     

钢框架梁端翼缘扩大型节点低周反复荷载试验研究

针对钢框架梁端翼缘扩大型节点进行4个1∶2缩尺比例的模型试验,深入研究梁端翼缘侧板加强型节点和梁端翼缘圆弧扩翼型节点在低周往复荷载作用下节点的屈服荷载、极限荷载、滞回曲线、骨架曲线、延性和耗能能力等抗震性能。为了比较分析,还设计制作了1个普通栓焊节点试件。试验结果表明,4个梁端翼缘扩大型梁柱节点均达到了抗弯钢框架连接的抗震要求,而普通栓焊节点试件由于梁柱焊缝根部的脆性破坏制约了梁柱节点的塑性发展;梁端翼缘侧板加强型节点由于侧板与梁翼缘对接焊缝的影响使得焊接热影响区母材变脆而发生脆性撕裂,致使节点的耗能性能受到影响;梁端翼缘圆弧扩翼型节点的抗震性能优于梁端翼缘侧板加强型节点。建议在实际工程中,采用圆弧渐进式过渡的梁端翼缘扩翼型节点,可以有效保证梁柱节点连接的塑性变形和耗能能力。     

基于Fe-safe/Verity的钢桥面板焊缝疲劳寿命分析方法研究

为分析钢桥面板的疲劳性能,基于Fe-safe/Verity采用等效结构应力法进行了焊缝疲劳寿命评估可行性验证。综合Fe-safe/Verity的焊缝疲劳寿命分析功能,给出了钢桥面板焊缝疲劳寿命分析的基本流程,并进行了有限元建模和疲劳寿命的试验验证。结果表明:采用基于Fe-safe/Verity的钢桥面板焊缝疲劳寿命分析方法计算出的疲劳寿命与试验结果接近,说明该方法是可靠的;Fe-safe/Verity模块基于等效结构应力理论,可不受网格尺寸限制自动识别有限元模型中的焊缝构造,高效完成焊趾单元的疲劳寿命计算。     

翼缘削弱型节点空间钢框架在低周反复荷载

为研究翼缘削弱型节点空间钢框架在低周反复荷载作用下的抗震性能,采用有限元分析软件ABAQUS对普通节点和翼缘削弱型节点的空间钢框架模型进行有限元模拟,对2种钢框架模型的破坏形式、承载力、滞回性能、耗能能力、强度及刚度退化性能等进行了对比分析。结果表明:翼缘削弱型节点可使梁端塑性铰外移至梁端翼缘削弱处,避免梁端焊缝处应力集中导致脆性破坏;翼缘削弱型节点等效粘滞阻尼系数与普通节点空间钢框架相比有明显的提高,进入屈服阶段后由于应力重分布,其刚度及承载力退化速度较普通节点空间钢框架慢,翼缘削弱型节点钢框架具有梁铰延性破坏机制,抗震性能较好。     

翼缘削弱型节点空间钢框架在低周反复荷载作用下的抗震性能

为研究翼缘削弱型节点空间钢框架在低周反复荷载作用下的抗震性能,采用有限元分析软件ABAQUS对普通节点和翼缘削弱型节点的空间钢框架模型进行有限元模拟,对2种钢框架模型的破坏形式、承载力、滞回性能、耗能能力、强度及刚度退化性能等进行了对比分析。结果表明:翼缘削弱型节点可使梁端塑性铰外移至梁端翼缘削弱处,避免梁端焊缝处应力集中导致脆性破坏;翼缘削弱型节点等效粘滞阻尼系数与普通节点空间钢框架相比有明显的提高,进入屈服阶段后由于应力重分布,其刚度及承载力退化速度较普通节点空间钢框架慢,翼缘削弱型节点钢框架具有梁铰延性破坏机制,抗震性能较好。     

钢框架焊接梁柱节点子结构抗倒塌性能试验研究

设计了2种过焊孔构造（扇形和扩大型过焊孔）的3个钢框架梁柱节点子结构试件,采用落锤冲击的加载试验方法模拟结构的动态倒塌过程。通过试验获得节点试件的破坏形态及其冲击荷载和变形时程曲线,分析试件冲击荷载和位移时程响应规律以及子结构动态转角和耗能变化趋势。结果表明：过焊孔构造对节点在冲击荷载作用下的破坏形态和力学性能有显著影响,补强焊缝可有效改善扩大过焊孔节点的上翼缘压曲;与扇形过焊孔相比,扩大型过焊孔节点试件具有更好的抗冲击转动能力,其极限转角满足FEMA 350中的转角限值（θ=0.064 rad）要求;通过分析冲击过程中试件截面内力发展规律可知,由于节点过早破坏限制悬链线效应的形成,该类型节点子结构由于节点转动能力不足不能充分发挥悬链线效应。     

某办公楼加固改造钢框架节点分析

通过对某出版社办公楼加固改造工程中钢框架结构梁柱节点的连接形式和计算方法进行分析,指出与圆形柱连接的梁翼缘端部很容易形成应力集中现象,梁柱连接处的受力比较复杂,采用焊缝连接比高强螺栓连接计算更加简便,节点受力更加合理。     

正交异性钢桥面板结构体系的疲劳破坏模式和抗力评估

正交异性钢桥面板的疲劳问题属于包含多疲劳破坏模式的结构体系疲劳问题。基于这一本质特性,以典型的正交异性钢桥面板结构体系为研究对象,由结构体系的主导疲劳破坏模式出发,提出正交异性钢桥面板结构体系疲劳抗力评估的新方法。以纵肋与顶板焊接细节和纵肋与横隔板交叉构造细节为主要研究对象,设计8个足尺节段模型,主要包括传统纵肋与顶板焊接细节、新型镦边纵肋与顶板焊接细节和纵肋与横隔板交叉构造细节,通过模型试验研究了两类重要构造细节的主导疲劳破坏模式和实际疲劳抗力,在此基础上结合切口应力评估方法探讨正交异性钢桥面板构造细节切口应力S-N曲线方程、结构体系的主导疲劳破坏模式等关键问题。研究结果表明：传统纵肋与顶板焊接细节和新型镦边纵肋与顶板焊接细节的主导疲劳破坏模式均为疲劳裂纹萌生于焊根并沿顶板厚度方向扩展,二者的实际疲劳抗力基本相同;纵肋与横隔板交叉构造细节的疲劳破坏模式为焊趾开裂沿纵肋腹板方向扩展;对于研究对象而言,萌生于纵肋与顶板焊接细节焊根并沿顶板厚度方向扩展的疲劳破坏模式为控制结构体系疲劳抗力的主导疲劳破坏模式。     

钢框架加强型梁柱节点子结构的抗冲击性能试验研究

设计了采用FEMA 350过焊孔构造的1个普通栓焊连接和2个加强型（盖板和翼缘加强型）栓焊连接的钢框架梁柱节点子结构试件,对试件进行落锤冲击来模拟结构的动态倒塌过程,考察栓焊节点加强方式对钢框架梁柱节点抗冲击性能的影响。通过试验获得节点试件的破坏形态及其冲击作用和位移时程曲线,分析试件冲击作用和位移时程响应规律以及子结构动态转角和耗能变化趋势。试验结果表明：节点试件的主要破坏形态是显著整体弯曲变形和钢梁上翼缘塑性铰截面附近处受压屈曲,采用FEMA 350标准过焊孔构造的节点试件具有良好的抗冲击转动能力,3个试件的极限转角均达到了FEMA 350规范抗震设计的转角限值（普通栓焊节点为θ=0.054 rad、加强型节点为 θ=0.070 rad）要求;改进后的盖板加强型和翼缘加强型节点试件的抗冲击能力均得到显著提高,优于普通栓焊节点。通过分析冲击过程中试件截面内力发展规律可知,由于节点过早破坏,限制了悬链线效应的形成,所有试件最终还处于塑性受弯向悬链线发展阶段。     

Fatigue strength evaluation of welded structural details in corrugated steel web girders

Fatigue strength evaluation of welded structural details is of practical significance in the design of corrugated steel web girders in highway bridges and industrial structures. In this paper, the fatigue strengths of corrugated steel web girders with several welded structural details and welding methods are analytically examined by fatigue tests of corrugated web beams and small-size welded joints. The stress concentration & distribution characteristics of corrugated web beams were analysed using finite element analysis. The beam test results showed that the structure with scallops or notches in the flange has lower fatigue strength and that with butt joints is prone to suffer from shear crack on the corrugated web. Within the inside range of the scallop, the stress concentration becomes greater with the increase of scallop radius and the tension flange contributes significantly to the bending capacity of corrugated steel web beams. The tests for small-size welded joints indicated their applicability in the analysis and prediction of S-N relationship of the test corrugated steel web beams. Finally, the fatigue crack propagation lives of weld joints were compared with those of test corrugated steel web beams with respect to related design Categories of the AASHTO LRFD Bridge Design Specifications.     

不同方式连接下钢柱-一体式预制混凝土墙组合构件抗震性能试验研究

钢框架与内部混凝土墙形成的组合构件具有优越的抗震性能。为进一步分析钢柱-一体式预制混凝土墙不同方式连接（梁柱刚接与柱边焊接、梁柱刚接与柱边不焊、梁柱铰接与柱边焊接、梁柱铰接与柱边不焊）时的抗震性能,分别对4个不同连接形式的钢柱-一体式预制混凝土墙的1/2缩尺模型进行了低周往复加载试验。得到了该类构件的滞回曲线及骨架曲线,并通过分析各构件的试验现象、承载力、刚度、耗能能力、延性及应变和变形,得出了不同连接形式对该类构件抗震性能及受力机理的影响。试验结果表明：钢柱 一体式预制混凝土墙体呈现三道防线特征,其中混凝土墙板为第一道防线,内斜撑为第二道防线,边框为第三道防线。柱边焊接对构件的承载力、刚度及边框与内墙组合作用的影响最为明显;内支撑对构件的刚度贡献最为显著且对边框与内部墙板组合作用的发挥具有关键作用。节点铰接且柱边不焊的构件位移延性系数可达2.83,可按1/20作为其弹塑性最大层间位移角限值,其他连接方式的构件位移延性系数在1.22～1.53之间,建议按1/100作为其弹塑性层间位移角限值。按位移控制进行设计的结构推荐采用节点铰接且柱边不焊的构件,而按承载力控制进行设计的结构推荐采用节点刚接且柱边焊接的构件。     

循环非弹性应变下低碳钢对接焊缝的性能

评估钢结构构件的材质和细部构造在极限荷载作用下的无弹性需求范围。描述了对非弹性有要求部位(屈服应力相对较低的钢板和接头全部焊透的对接焊缝细部构造)的循环响应和低周循环疲劳寿命,对不同的基底材质和对接试样进行大振幅循环应变试验,设计了多种焊接方式来缓和焊接试样的应力集中现象、降低其残余应力、改善焊趾外观。采用单轴材料模型和低周疲劳模型描述试样的循环应力-应变响应和低周循环疲劳寿命。研究表明,线性累积损伤模型也适用于预测不同应变历史下试样的破坏情况。对接焊缝仅略微降低试样的低周循环疲劳寿命,不同的焊接方式对低周循环疲劳寿命的影响最小。     

钢构架中H型钢梁柱刚性接头设计探讨

目前锅炉钢构架中梁柱的刚性连接形式大部分采用梁腹板以螺栓连接,梁翼缘板采用全焊透的形式与柱连接.以H型钢为研究对象,通过时这种传统的梁柱连接及其他四种不同的连接形式进行非线性有限元分析,提出新的梁柱刚性连接节点的设计思想,即在梁柱连接区梁端采取扩大翼缘板宽度,同时柱端增加加劲肋,避免在连接焊缝区域产生应力集中的现象,使因应力过大而产生的塑性铰远离连接区,提高节点的承载性能.     

钢构架中H型钢梁柱刚性接头设计探讨

目前锅炉钢构架中梁柱的刚性连接形式大部分采用梁腹板以螺栓连接,梁翼缘板采用全焊透的形式与柱连接。以H型钢为研究对象,通过对这种传统的梁柱连接及其他四种不同的连接形式进行非线性有限元分析,提出新的梁柱刚性连接节点的设计思想,即在梁柱连接区梁端采取扩大翼缘板宽度,同时柱端增加加劲肋,避免在连接焊缝区域产生应力集中的现象,使因应力过大而产生的塑性铰远离连接区,提高节点的承载性能。     

Ductile moment connections used in steel column-tree moment-resisting frames

This paper presents analytical and experimental studies on the cyclic behavior of beam-to-column moment connections used in steel column-tree moment-resisting frames. The column-tree system is joining the column-trees and link beams in the field while the column-trees are fabricated in the shop by welding stub beams to the column. The proposed ductile column-tree connections have two distinctively improved connection details which are no weld access hole detail and a widened flange of the stub beam. Nonlinear finite element analysis demonstrated the effectiveness of the improved connection details which significantly reduce the stress concentration and plastic strain demands at the beam flange groove weld. Cyclic testing of three full-scale specimens was conducted to verify the proposed connection details. All the specimens successfully developed ductile behavior with no brittle fracture by forming the plastic hinging of the beam away from the beam-column interface. The widened flange and no weld access hole details are effective in reducing the potential of brittle fracture.