高强度钢材螺栓连接抗剪性能试验研究

近年来高强度钢材在工程中得到了逐步推广和应用,尤其是Q460强度等级的高强度钢材。但是目前各国规范都尚未对高强度钢材螺栓连接设计方法做出具体规定,仍沿用普通强度钢材的设计方法。因此,需对端距、边距和螺栓间距等几何构造对高强度钢材螺栓抗剪连接性能的影响进行深入的试验研究。针对10,12 mm厚的Q460强度等级的高强度钢材进行螺栓抗剪连接试验,通过改变两个10.9级M27高强度螺栓的几何布置,研究不同端距、边距和螺栓间距情况下,高强度钢材的承压性能的变化情况。由试验可以观察到螺栓抗剪连接的3种不同的破坏模式:端部撕裂、孔壁拉长和板净截面拉断。同时还将试验得到的极限承载力与欧洲和美国钢结构设计规范设计值进行比较。结果发现,现有规范并不能很好地预测高强度钢材螺栓抗剪连接的破坏模式和极限强度,建议更深入地进行参数分析以完善规范设计方法。     

高强度钢材螺栓抗剪连接孔壁承压性能研究及设计建议

高强度钢材(Q460级或更高强度)已在高层和大跨度建筑中逐步推广应用,但现行中国规范对高强度钢材螺栓连接计算的强度指标和构造要求尚未做出明确的规定,需要通过系统研究确定高强度钢材螺栓连接的设计强度指标和承载力计算方法.利用已验证的有限元模型,对端距e1、边距e2、螺栓间距p2、板厚t以及钢材屈服强度fy和抗拉强度fu的影响进行了参数分析,并与三种设计方法进行了比较.对比发现Mo(z)e建议公式的准确性最好,更能够真实地反映端距e1和边距e2对承载性能的影响;而欧洲规范设计方法相对来说过于保守;美国规范未能反映出边距e2的影响.最后利用剪切破坏理论,基于已有的试验数据和有限元参数分析结果,提出了中国规范当中Q460级高强度钢材螺栓连接钢板设计承压强度建议值.     

Q550钢材高强螺栓连接承压性能研究

高强螺栓承压型连接是钢结构中常用的节点连接方式,采用经验证可靠的Marc有限元计算模型对Q550高强度钢材高强螺栓承压型连接的承压性能进行数值模拟。分别对影响极限承载力的端距、边距、螺栓预紧力以及连接板件间的抗滑移系数等因素进行研究。研究结果表明:端距和边距二者共同影响Q550高强螺栓承压型连接的破坏模式和极限承载力,当端距和边距值分别取2. 0d0(d0为螺栓孔径)和1. 5d0时连接发生承压破坏并可以得到较高的承载力;对螺栓施加预紧力可以适当提高接头的极限承载力;抗滑移系数对极限承载力的影响不大。     

高强钢螺栓连接电弧热喷铝接触面抗滑移系数试验研究

高强钢结构对连接承载力的要求提高,为在高强钢结构中应用高强度螺栓摩擦型连接,需改进接触面处理方式以提高抗滑移系数.电弧热喷铝是一种新的接触面处理方式,其抗滑移系数较高,但目前电弧热喷铝接触面相关研究较少,应用于高强钢结构时缺少设计依据.针对Q460C,Q460D,Q890C三种牌号的高强钢,以及电弧热喷铝、轧制表面砂轮除锈和轧制表面钢丝刷除锈三种接触面处理方式,进行了 7组高强度钢材螺栓摩擦型连接试件的抗剪试验,分析了钢材强度、板件厚度、螺栓预拉力及接触面处理方式对抗滑移系数的影响.试验结果表明:荷载引起的10.9级高强度螺栓预拉力损失可达10％以上,经电弧热喷铝处理过的高强度钢材接触面抗滑移系数可达0.71,设计中建议按最小值取0.60.     

高强度钢材箱形柱滞回性能试验研究

为研究Q460高强度钢材箱形柱的抗震性能,对5个足尺试件进行了水平往复加载试验研究,分析了板件宽厚比、轴压比等因素对试件的承载力、破坏模式、耗能能力、变形能力和延性的影响。试验结果表明,Q460高强度钢材箱形柱具有很好的耗能能力和抗震性能,适用于抗震钢框架;除试件HB-1外其他试件本身及其柱脚节点均未发生焊缝开裂,证明设计合理、质量合格的Q460高强度钢材焊缝连接具有足够的承载力和良好的抗震性能;板件宽厚比越大,试件局部屈曲出现得越早,最大荷载对应的位移级越小,达到破坏时的位移级也越小;试件发生局部屈曲的范围及屈曲中心位置相对于试件截面高度的比值依次减小,所有试件最大屈曲位置距固定端0.25B~0.50B（B为等边箱型截面外边长）,塑性区范围距离固定端0.72B~1.06B。根据试验结果,建议在轴压比不大于0.2时,Q460钢材箱形截面压弯构件板件宽厚比限值不应大于30;同时,钢框架柱在进行抗震设计时,其板件宽厚比限值应与轴压比相联系,轴压比越大,板件宽厚比限值应越小。     

高强度结构钢高强度螺栓摩擦型连接节点试验研究

针对钢板材质为Q460,Q550,Q690的高强度结构钢和Q345钢、摩擦面经过抛丸除锈和喷硬质石英砂处理的试件进行了高强度螺栓摩擦型连接试验。通过试验了解钢材强度、摩擦面处理方法以及螺栓排布方式对抗滑移系数的影响。试验结果表明,三种高强度钢材的抗滑移系数比较接近,与Q345钢的抗滑移系数相比有所降低。结合试验分析,为高强度结构钢高强度螺栓摩擦型连接节点的设计提供参考。     

Q460等级高强度钢材螺栓抗剪连接孔壁承压性能有限元分析

运用三维实体有限元数值模拟方法,对9组Q460等级高强度钢材螺栓抗剪连接试验进行材料、几何、接触非线性分析,详细介绍了建立有限元模型的具体方法,给出了极限承载力的求解全过程,提出了影响其模拟精度的重要因素.根据端距、边距和螺栓间距的不同,采用有限元模型模拟出了连接板发生的孔壁承压破坏、净截面破坏等不同的破坏模式,通过有限元分析得到的极限承载力计算值与试验值十分接近.结果表明:建立的有限元模型能够准确模拟高强度钢材孔壁承压性能,选择合适的应力-应变关系和接触刚度是影响计算精度的关键.     

超大承载力端板连接节点试验研究

在大跨或重载钢结构中,当梁柱之间需要采用螺栓连接时,如果普通构造的端板连接节点和大承载力端板连接节点不能满足承载力要求,则需要采用受拉区布置12颗或16颗螺栓的超大承载力端板连接节点。为研究该类型节点受力性能,进行4个超大承载力端板连接节点足尺试件的单调加载试验,得到各节点试件的弯矩-转角曲线,分析不同螺栓直径、端板厚度和螺栓布置形式下各节点的抗弯承载力、转动刚度和受拉区螺栓拉应变增量分布的特点。结果表明,在试验试件构造条件下超大承载力端板连接节点的弯曲失效模式为端板屈服后螺栓失效,端板厚度对节点承载力影响明显;各螺栓的拉应变增量分布不均匀,角部螺栓对节点抗弯承载力影响较小,建议在设计中移除或仅按抗剪螺栓考虑;建议节点域屈服承载力仍按照现行规范计算,该类节点的等效受拉螺栓数量取为7。     

高强度钢材疲劳性能研究进展

疲劳破坏是钢结构失效的主要形式,也是工程界与学术界关注的重点。在总结了国内外高强钢母材、焊缝连接和螺栓连接的疲劳性能研究现状基础上,介绍了疲劳寿命理论计算方法,结合大量试验数据分析统计了高强度钢材疲劳寿命发展规律,并基于国内外不同的疲劳设计规范对高强钢母材及连接接头的抗疲劳能力进行了评估。结果表明：随着钢材强度等级的提高,高强钢母材表现出较好的疲劳性能,规范设计曲线偏于保守,明显低估了高强钢母材的抗疲劳性能;受焊接工艺和焊接质量影响,高强钢焊缝连接的疲劳强度提高幅度较小,ANSI/AISC 360-10和EN 1993-1-9规范曲线能够较好地评估Q460D与Q690D焊缝连接的疲劳特性,并具有足够的安全储备;螺栓连接的疲劳强度受预紧力、摩擦面处理、成孔方式等众多因素影响,已有研究表明随着钢材强度的提高,疲劳强度亦有改善,ANSI/AISC 360-10和BS 7608-2014设计曲线适用于Q460螺栓连接疲劳寿命计算,具有足够安全保障,对于Q690钢螺栓连接疲劳性能评估,规范方法偏于保守。随着高强度钢材在实际工程中的应用增多,需开展大量不同等级高强钢母材和连接形式的疲劳试验,补充Q460及以上强度钢材的疲劳设计方法和细部连接构造。     

预拉力螺栓连接焊接T形件受力性能研究

为研究焊接T形件连接的力学性能,对10个焊接T形件连接进行了静力拉伸试验,采用欧洲规范EN 1993-1-8（EC3）方法预测了T形件连接的初始刚度和塑性承载力,研究了螺栓预拉力对T形件连接初始刚度的影响。研究结果表明：当T形件连接的承载力由螺栓强度控制时,塑性承载力随螺栓直径的增加而增大;提高螺栓强度等级,可以提高试件的初始刚度,最大增幅约为47.8%,但对塑性承载力影响较小;螺栓至腹板边的距离d对T形件连接的初始刚度和塑性承载力影响均较大;当螺栓边距大于1.5d后,可忽略其影响;EC3规范中承载力计算公式低估了T形件连接的塑性承载力,初始刚度计算公式中忽略了螺栓预拉力的贡献,当翼缘板受约束程度接近简支和固接时,计算误差较大;采用Faella模型计算初始刚度预测翼缘板边界条件接近固接约束情况的T形件连接初始刚度精度较高,对于接近简支的情况仍需改进。     

高性能耐火钢高强度螺栓接头高温受剪性能试验研究

为促进高性能耐火钢材设计理论发展与工程应用,对采用不同型号高强度螺栓的10个高强度螺栓连接接头进行了不同温度条件下的受剪试验,其中包含4个采用普通高强度螺栓的连接接头以及6个采用BFRW10耐火高强度螺栓的连接接头,连接板均采用WGJ高性能耐火钢。试验研究了常温下螺栓接头的摩擦面抗滑移系数、不同温度下螺栓接头的荷载 位移关系、荷载折减系数及其破坏形式。研究结果表明：随着温度的升高,螺栓接头的破坏形式由孔壁承压破坏转向螺杆剪切破坏;在不同温度条件下,采用耐火高强度螺栓可显著提高螺栓连接接头的高温极限荷载。根据极限荷载试验结果,与欧洲规范EC3中螺栓接头高温设计方法及采用折减材料强度计算方法的计算结果进行了对比,表明现有规范方法应用于此类耐火高强度螺栓接头的设计偏于保守,同时给出了建立该类螺栓接头整体高温折减系数的设计建议。     

State-of-the-art on resistance of bearing-type bolted connections in high strength steel

With the recent development of material science, high strength steel (HSS) has become a practical solution for landmark buildings and major projects. The current codes for design of bearing-type bolted connections of steel constructions were established based on the research of conventional steels. Since the mechanical properties of HSS are different from those of conventional steels, more works should be done to develop the appropriate approach for the design of bearing-type bolted connections in HSS. A review of the research carried out on bearing-type bolted connections fabricated from conventional steel and HSS is presented. The up-to-date tests conducted at Tongji University on four connection types fabricated from three grades of HSS with nominal yield strengths of 550, 690, and 890 MPa are presented. The previous research on failure modes, bearing resistance and the design with consideration of bolt hole elongation are summarized. It is found that the behavior of bolted connections in HSS have no drastic difference compared to that of conventional steel connections. Although the ductility is reduced, plastic deformation capacity of HSS is sufficient to ensure the load redistribution between different bolts with normal construction tolerances. It is also found that behavior of each bolt of multi-bolt connections arranged in perpendicular to load direction is almost identical to that of a single-bolt connection with the same end distance. For connections with bolts arranged in parallel to load direction, the deformation capacity of the whole connection depends on the minimum value between the end distance and the spacing distances in load direction. The comparison with existing design codes shows that Eurocode3 and Chinese GB50017-2017 are conservative for the design of bolted connections in HSS while AISC 360-16 may overestimate the bearing resistance of bolted connections.     

钢板攻丝高强螺栓连接钢框架节点力学性能试验研究

对采用钢板攻丝高强螺栓连接的钢框架节点分别进行了高强螺栓拉伸及剪切试验、钢柱法兰连接节点静力及拟静力试验、梁柱半刚性连接静力试验.基于试验数据对节点连接的承载能力、失效模式以及刚度特征等关键问题进行了分析.研究结果表明:由自攻螺纹钢板及高强螺栓构成的连接形式具有良好的抗拉、抗剪性能,以螺杆断裂为最终破坏模式;钢柱法兰连...     

Research on axial loading behaviour of deconstructable bolt spliced square steel tubular columns

为研究采用特殊三角盒装置固定螺母的单边拧紧高强度螺栓的闭口截面方钢管柱-柱拼接节点轴向力学性能，设计制作了5个节点，并对其进行轴向受拉和受压加载试验，得到节点变形、承载力等力学性能，并与按GB 50017—2017《钢结构设计标准》计算的承载力进行对比分析；对部分节点进行承载能力极限状态之后的可拆卸性能分析。在验证有限元模型准确性和有效性的基础上，采用ABAQUS有限元软件对节点的受力性能进行数值模拟分析，研究拼接区高强度螺栓拉力和板件接触面摩擦力的变化规律。结果表明：采用特殊三角盒装置固定螺母的单边拧紧高强度螺栓的闭口截面方钢管柱拼接节点构造简单、安装方便、易于拆卸，抗滑移承载能力和极限承载能力良好；受拉承载能力极限状态后高强度螺栓的拉力与板件间摩擦力损失相对较大；单边拧紧高强度螺栓的闭口截面方钢管柱-柱拼接节点承载力仍可按GB 50017—2017中的承载力计算式进行计算。     

方钢管柱可拆卸螺栓拼接节点轴向力学性能研究

为研究采用特殊三角盒装置固定螺母的单边拧紧高强度螺栓的闭口截面方钢管柱-柱拼接节点轴向力学性能,设计制作了5个节点,并对其进行轴向受拉和受压加载试验,得到节点变形、承载力等力学性能,并与按GB 50017—2017《钢结构设计标准》计算的承载力进行对比分析;对部分节点进行承载能力极限状态之后的可拆卸性能分析。在验证有限元模型准确性和有效性的基础上,采用ABAQUS有限元软件对节点的受力性能进行数值模拟分析,研究拼接区高强度螺栓拉力和板件接触面摩擦力的变化规律。结果表明：采用特殊三角盒装置固定螺母的单边拧紧高强度螺栓的闭口截面方钢管柱拼接节点构造简单、安装方便、易于拆卸,抗滑移承载能力和极限承载能力良好;受拉承载能力极限状态后高强度螺栓的拉力与板件间摩擦力损失相对较大;单边拧紧高强度螺栓的闭口截面方钢管柱-柱拼接节点承载力仍可按GB 50017—2017中的承载力计算式进行计算。     

可更换钢连梁抗震性能试验研究

通过拟静力试验,研究由跨中部消能梁段和两端非消能梁段组成的可更换钢连梁的抗震性能和震后可更换能力。试验共包括4个连梁试件,采用4种不同的消能梁段与非消能梁段连接方式,分别为端板-抗剪键连接、拼接板连接、腹板-螺栓连接、腹板-结构胶连接。试验结果表明：采用端板-抗剪键连接时,连梁的塑性变形和损伤集中在消能梁段,连梁的极限塑性转角可达0.06 rad,具有稳定的滞回耗能能力;采用拼接板连接或腹板-螺栓连接时,消能梁段剪切屈服,连接处摩擦型高强螺栓有不同程度的滑移,连梁的极限塑性转角也可达0.06 rad;采用腹板-结构胶连接时,连接处结构胶开裂导致连梁脆性破坏。在连梁转角为0.02 rad加载后对消能梁段进行更换,采用端板-抗剪键连接的试件更换时间最短,而腹板-螺栓连接的试件能在更大的残余转角时更换。此外,消能梁段在较大塑性剪切变形时伴有轴向变形,导致连梁试件承受较大轴力,连梁的轴力影响需要进一步研究。     

新型全螺栓连接钢框架抗震性能试验研究

针对方钢管柱与H形钢梁难栓接的问题,提出了一种新型全螺栓连接方式。这种连接方式舍去传统螺栓连接的螺帽,由直接在柱壁相应位置的攻丝充当,然后通过高强度螺栓把钢梁和方钢管柱直接连接。为了研究新型全螺栓连接方式运用在钢框架上的抗震性能,按照1:2比例模型,分别制作了采用传统栓焊连接方式(KJ-1)和新型全螺栓连接方式(KJ-2)的单层单跨钢框架。通过低周往复加载试验,对比分析了两者的破坏现象、承载力、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化以及延性等抗震性能。结果表明,KJ-2比KJ-1承载力提高了16.1%,延性增加了13.7%,耗能提高了9.5%;二者的刚度退化程度接近。总体而言,采用新型全螺栓连接钢框架的抗震性能稍优于采用传统栓焊连接的钢框架的抗震性能。     

后张无黏结预应力干式连接梁柱节点抗震性能试验研究

为研究后张无黏结预应力干式装配梁柱节点在低周往复荷载作用下的抗震性能,对其进行了拟静力试验研究。试验中设计了2个常规现浇梁柱节点和4个装配式梁柱节点,包含中节点和边节点。对比分析了现浇节点和装配节点滞回性能、刚度、承载能力以及变形能力差异。试验结果表明：试验中设计的后张无黏结预应力装配式梁柱节点试件在初始刚度、承载能力、变形能力以及损伤控制等方面均优于传统的现浇节点试件,耗能能力略低;进一步研究了后穿耗能钢筋无黏结段位置对装配节点性能的影响,认为后穿耗能钢筋无黏结段设置在柱外时,装配节点呈现更高的耗能能力和变形能力;装配式节点预应力钢绞线在1/20大位移角下仍能保持弹性,梁柱接触面基本无摩擦滑移,该类装配式节点具有良好的整体性和安全性。