H型钢梁与矩形钢管柱外伸式端板单向螺栓连接节点承载力试验与理论研究

介绍了H型钢梁与矩形钢管柱连接节点的节点类型和单向螺栓产品及其受力性能的研究现状。通过对3种不同形式的外伸式端板单向螺栓连接节点的单调静力加载试验,得到了各试件的破坏模式和弯矩 转角曲线,研究了螺栓承载力、端板厚度、柱壁厚度对节点破坏模式的影响。〖JP2〗基于试验现象提出了用于理论计算的螺栓力分布模式。运用EN 1993-1-8的等效T形连接件法计算了由端板材料强度控制的节点受弯承载力。利用屈服线理论,基于试验现象提出了钢管柱壁的屈服线模式,通过虚功原理求解出由柱壁材料强度控制的节点受弯承载力。研究表明,螺栓、端板、柱壁间的相对强弱关系直接影响节点的破坏模式,相对较弱的部件会先于节点中其余部件发生破坏。理论计算值与试验结果相比偏保守。最后提出了H型钢梁与矩形钢管柱连接节点的设计准则。     

矩形钢管混凝土K型节点受力性能试验

对6个矩形钢管混凝土K型节点和1个矩形钢管K型节点进行了受力性能试验研究,结合Packer试验结果,对矩形钢管混凝土K型节点的破坏模式及节点间隙对节点性能的影响进行了分析,并和矩形钢管节点进行对比,推导了K型节点与Y型节点的判别式。试验结果表明:矩形钢管混凝土K型节点没有发生屈服线破坏模式,节点极限承载力得到了有效的提高;受拉支管破坏模式与矩形钢管节点相似,为冲剪破坏和有效宽度破坏;在满足受压支管承载力的前提下,受压支管为横向局部承压破坏模式;当受压支管宽厚比较大时,可不考虑节点间隙对节点承载力的影响;当受压支管宽厚比较小、节点间隙较大时,需考虑节点间隙对节点极限承载力的影响。     

平端板连接半刚性梁柱组合节点的抗弯承载力Ⅰ:负弯矩作用

基于现有试验数据以及组合节点抗弯承载力的研究成果,利用塑性分析方法和组件法,提出一种平端板连接组合节点承受负弯矩作用时,其塑性抗弯承载力的计算方法。探讨组合节点的实效模式,给出其各组件承载力的计算方法,组件包括钢筋、螺栓、柱腹板、梁翼缘、混凝土楼板等。考虑中和轴出现的6种位置:混凝土楼板内;钢梁上翼缘内;钢梁腹板内,所有螺栓受压;前m-1排螺栓受拉,第m排部分受拉,其余受压;1～m排完全受拉;只有钢梁下翼缘受压。该方法可以考虑节点承受非对称荷载作用的情况以及作用在连接上的剪力、高强度螺栓撬力等因素的影响。如果将组合连接的配筋率取为零,不考虑组合楼板的影响,使用该方法同样可以计算平端板连接梁柱纯钢节点在承受负弯矩作用时的抗弯承载力。     

H型钢梁与钢管柱平齐端板单向螺栓节点设计

根据《矩形钢管构件自锁式单向高强螺栓连接设计规程》(报批稿)设计了重庆优顺标准厂房矩形钢管柱与H型钢梁平齐式端板单向螺栓节点,验算了各部件抗剪承载力,依据端板破坏原则验算了端板及柱壁厚度,保证了节点的抗弯承载力。计算了节点转动刚度,保证其能承受一定的偶然弯矩或次弯矩。节点ABAQUS模型的有限元与理论计算结果对比表明,对于交错排布的节点,理论结果偏于保守;其他节点的理论结果与有限元结果吻合较好,证明了理论计算方法的正确性。     

钢管壁哑铃形屈服线模式及承载力计算方法

基于组件法将钢梁-钢管柱螺纹锚固单边螺栓平齐端板连接简化为T形件-钢管模型,并利用参数化的有限元模型分析了T形件-钢管节点在单向拉伸荷载作用下钢管壁平面外受拉性能,发现了钢管柱壁新型的哑铃形屈服线模式。通过虚功原理,建立了钢管壁发生该屈服线模式的塑性极限承载力的计算方法。对不同参数的T形件-钢管节点钢管壁平面外受拉承载力进行了有限元分析,钢管柱壁塑性极限承载力的计算结果与有限元分析结果基本吻合。     

平端板连接半刚性梁柱组合节点的抗弯承载力Ⅱ:正弯矩作用

基于现有试验数据以及组合节点抗弯承载力的研究成果,利用塑性分析方法和组件法,提出一种平端板连接组合节点承受正弯矩作用时,其塑性抗弯承载力的计算方法。探讨组合节点的实效模式,给出其各组件承载力的计算方法,组件包括螺栓、柱腹板、梁翼缘、混凝土楼板等。考虑中和轴出现的5种位置:混凝土楼板内;钢梁上翼缘内;钢梁腹板内,所有螺栓受拉;前m-1排螺栓受拉,第m排部分受拉,其余受压;1～m排完全受拉。该方法可以考虑节点承受非对称荷载作用的情况以及作用在连接上的剪力、高强度螺栓撬力等因素的影响。如果不考虑组合楼板的影响,使用该方法同样可以计算平端板连接梁柱纯钢节点在承受正弯矩作用时的抗弯承载力。     

采用承插式桩接头的预制方桩受弯承载性能研究

由济南R1线工程的预制方桩受弯承载力试验结果可知,采用承插式桩接头的预制方桩的受弯承载力取决于接头的承载性能,由此提出了该预制方桩受弯承载力极限状态的检验标志为桩身挠度、裂缝宽度达到规范限值或桩接头屈服,以此给出预制方桩的受弯承载力计算式,同时对预制方桩的受力变形过程进行阶段划分。结合数值分析方法,分析了预制方桩各受力阶段的桩接头受力变形特征,建立了桩接头的受力变形模型,验证了以Tresca屈服准则判别桩接头屈服的正确性,并推导了桩接头受弯承载力计算式,并以试验结果验证了该式的正确性。结果表明:当桩接头材料达到屈服强度时,挠度、裂缝宽度均远小于规范限值。桩接头上部受压区初始以销栓传递应力给腹板、上翼板,腹板、上翼板与端板接触后,由腹板、上翼板直接承受压应力;下部受拉区以销栓传递应力给腹板、下翼板,由受压侧腹板、下翼板承受受拉区应力,且受拉区受压侧腹板、下翼板首先屈服,并以此作为计算桩接头受弯承载力的依据。受拉区腹板、下翼板第二主应力比第一、第三主应力小两个数量级。根据桩接头受压区分布情况,桩接头屈服时,受压区应力分布为"倒三角形",并以此确定受压区合力位置。     

支座底板直连接型焊接空心半球节点受力性能试验研究及分析

为研究支座底板直连接型焊接空心半球节点在受拉压状态下的力学性能,设计制作了8个试件。通过试验和有限元分析方法,获得了节点的破坏模式、荷载-位移曲线和荷载-应变曲线。结果表明,受压工况下试件的破坏模式为半球先屈服支管后屈服、支管屈服和半球表面屈服,受拉工况下为半球先屈服后支管与半球相交处半球表面产生裂纹。节点承载力随半球直径、半球壁厚、支管直径及受力工况的不同而改变,受支管壁厚影响较小。在受力过程中,支管分别承受拉压力的节点试件在支管与半球相交区域的测点最先进入屈服状态,其余加载工况下试件最不利位置均为半球顶部。基于对218个有限元模型在受压和受拉工况下的参数化分析,非线性拟合提出了节点极限承载力计算公式,并考虑了加劲肋对节点承载力的影响,给出承载力提高系数。     

负弯矩作用下钢管混凝土组合框架端板连接节点的抗弯承载力计算方法

为了获悉负弯矩作用下钢管混凝土组合框架端板连接节点的抗弯承载力,给出组合节点的失效模式,建立对称荷载和非对称荷载作用下组合节点的力学模型,详细考虑柱截面类型、端板类型、荷载类型、楼板组合作用的影响。基于节点失效模式,分别提出钢筋抗拉承载力、螺栓抗拉承载力、连接抗压承载力等组件承载力的简化计算方法。根据力学平衡原理和力学模型,利用组件法,确定组合节点受弯中和轴位置,分别提出平齐端板连接和外伸端板连接钢管混凝土组合节点在负弯矩作用下的承载力计算公式。用试验结果验证了所提组合节点抗弯承载力简化计算方法的正确性,研究成果可为建立半刚性钢管混凝土组合框架设计理论提供科学依据。     

设置隅撑的钢管混凝土柱-钢梁槽钢节点受力性能研究

针对常规钢管混凝土柱-钢梁节点核心区混凝土常发生斜压破坏引起钢管柱损坏的问题,研究了在梁柱结合部位设置槽钢过渡段的节点形式,考虑到该类节点刚度与承载力有限,在钢管柱与钢梁间设置隅撑并进行相关研究。通过对5个钢管柱-钢梁槽钢节点、两个钢管混凝土柱-钢梁槽钢节点与一个设置隅撑的钢管混凝土柱-钢梁槽钢节点的试验与有限元模拟,分析了该类节点的受力性能与破坏形态。结果表明:节点失效时,钢管柱钢梁节点柱壁与槽钢腹板均发生较大变形,钢管混凝土柱钢梁节点破坏则主要发生在槽钢腹板上,槽钢腹板厚度对节点承载力影响明显;槽钢节点具有较好的转动能力与承载力,为半刚性节点;设置隅撑后,破坏主要发生在隅撑上,结构刚度显著提高,降低了节点处的受力,槽钢翼缘所受剪力减小;通过对所设置隅撑进行局部削弱处理,可以实现预选塑性区,控制结构破坏顺序,保护梁柱结合部位并简化节点设计。     

方钢管柱-H型钢梁T形件单向螺栓连接节点性能研究

研究了在循环荷载作用下,一种新型的方钢管柱-H型钢梁T形件单向螺栓连接节点的破坏模式,以及构件对节点性能的影响。建立了节点的三维非线性有限元模型,以全尺寸梁柱连接节点拟静力试验数据进行了验证。通过参数分析,探讨了柱壁厚度、梁翼缘厚度和腹板削弱程度对新型节点的滞回曲线、骨架曲线、耗能等性能指标的影响。结果表明:循环荷载作用下新型节点滞回曲线呈"梭形"且较饱满,不同参数的节点均具有良好的耗能能力。通过增加柱壁厚度,节点的极限承载力和初始转动刚度增加。但柱壁厚度超过14mm时,单向螺栓和T形件成为节点失效的控制因素;梁不是这种新型节点的薄弱部位,对梁翼缘和腹板进行合理开孔削弱,节点的滞回性能、极限承载、刚度和耗能能力均无显著降低。     

主管内填混凝土矩形和圆形钢管桁架受弯性能对比试验研究

为研究主管内填混凝土对矩形和圆形钢管桁架结构受弯性能的影响及两者区别,进行了矩形和圆形钢管桁架空管、仅受压主管内填混凝土和拉压主管均内填混凝土三种类型桁架的对比试验研究。试验结果表明:矩形截面桁架均发生节点失效,空管桁架为受压主管侧壁鼓曲破坏,仅受压主管内填混凝土和拉压主管均内填混凝土桁架发生受拉主管顶板的冲剪破坏;圆形截面空管桁架和仅受压主管内填混凝土桁架发生空管节点处的主管侧壁鼓曲破坏,拉压主管均内填混凝土桁架为受拉支管受拉断裂破坏。主管内填混凝土有助于提高主管轴向刚度,提高节点强度和刚度及整体承载力,节点承载力按规范计算结果偏于安全,桁架整体变形计算需考虑节点变形的影响。两种截面空管桁架的承载力及变形差异不明显,主管内填混凝土后,圆形截面桁架的整体和节点承载力比相应矩形截面桁架承载力要高,变形能力更好,且节点变形比例更小。     

方钢管柱-H形钢梁槽钢节点受力性能研究

为研究方钢管柱-H形钢梁槽钢节点的静力性能,对5个节点试件进行了单调加载静力试验。试件为边柱节点,试件参数为槽钢类型、槽钢尺寸以及管内加劲肋。详细考察试验全过程和试件破坏形态,分析节点的转动刚度、承载能力、应力-应变关系等。采用有限元软件ABAQUS对节点进行有限元分析,将有限元得到的M-θ曲线与试验结果进行对比。研究结果表明:试件破坏时,破坏主要发生在槽钢上,主要表现为螺栓孔撕裂、槽钢受拉侧腹板鼓曲、受压侧翼缘屈曲;槽钢翼缘与钢管柱壁刚度比较小时,槽钢翼缘会出现明显鼓曲;槽钢翼缘与钢管柱壁刚度比较大时,钢管壁受压区会出现较明显局部屈曲,槽钢腹板越厚,节点承载力越高;槽钢节点有较好的变形能力与抗弯承载能力,为半刚性节点。     

圆钢管混凝土桁架K形节点极限承载力计算方法研究

圆钢管桁架在主管内填筑混凝土,可有效提高其承载力。为了获得圆钢管混凝土桁架K形节点受力性能和承载力计算方法,研究了在受拉或受压支管处K形节点的失效模式和破坏机理;基于圆钢管混凝土K形节点在不同失效模式下的破坏机理和受力状态,分别对支管截面形式为圆形或矩(方)形的圆钢管混凝土K形节点建立合理的简化计算模型,推导出不同失效模式下K形节点极限承载力计算公式,并给出相应的极限承载力建议公式。试验验证了圆钢管混凝土K形节点的试验值与计算值吻合较好,研究表明圆钢管混凝土K形节点的极限承载力计算公式的准确性,可应用于圆钢管混凝土桁架结构计算和设计,也为相关标准建立和完善提供理论依据。     

输气盾构隧道原型管片接缝弯压破坏试验

长距离输气盾构隧道常需穿越复杂地层，接缝作为衬砌结构的薄弱环节，构造复杂，在大弯压荷载下变形易超出设计要求而导致破损。为探明接缝的压弯力学特性和破坏机理，选取原型弧形接缝结构进行加载试验。详述接缝影响范围内管片受力、变形、破坏的全过程，定量分析破坏程度与结构内力、形变的关联。结果表明：偏心距可影响接缝变形的挤压、隆起趋势从而影响结构的弯矩分布。在压弯作用下，接缝经历了螺栓屈服前缓慢变形阶段、屈服时突变阶段和屈服后快速变形破坏阶段。接缝破坏时变形量较小，两侧被压溃的混凝土范围约等于管片厚度。破坏机理可归纳为：螺栓屈服导致接缝张开，致使弹性密封垫下部接触受压区面积减小、压强增大造成混凝土压溃，进而外弧边沿嵌缝槽处混凝土受压接触并最终压溃，导致接缝破坏。     

螺纹孔单边螺栓T形连接节点受拉性能研究(Ⅱ)——承载力设计方法

欧洲规范给出了螺栓连接T形节点的3种受拉破坏模式,考虑到螺纹破坏,又划分了2种新的破坏模式:螺纹破坏和T形翼缘屈服伴随螺纹破坏,并给出了相应的抗拉承载力计算公式。将公式计算结果与单边螺栓T形连接节点受拉性能试验结果进行比较,验证了提出的新的破坏模式以及计算公式的正确性。公式计算结果均小于试验结果,因此在由计算公式得到的设计荷载下,T形节点具有足够的安全储备。     

螺栓球柱节点单向受压承载力研究

螺栓球柱节点是一种适用于无檩网架的新型空间结构节点。简要介绍了5个单向受压螺栓球柱节点的试验过程和试验现象;采用有限元软件ABAQUS建立了受压试件的数值模型,将数值分析获得的破坏模式、荷载-位移曲线与试验结果相比较,验证了数值模型的有效性。定义了节点单向受压承载力的取值准则,同时建立了80个节点数值模型对螺栓球柱节点的单向受压承载力影响参数进行了分析。数值分析结果表明:圆柱筒壁直径越小、壁厚越厚、筒壁高度越高,节点的单向受压承载力越高;与节点相连弦杆的截面宽度越大、长度越小,节点承载力越高;在空心圆柱体顶部增设加劲肋可提高螺栓球柱节点的轴向刚度和承载力。基于理论分析,拟合得到了螺栓球柱节点单向受压承载力的实用计算式。拟合计算式计算结果与试验结果的相对差值百分比均在10%以内,具有良好的工程使用价值。     

腹板嵌入式组合梁局部受压试验研究

基于传统钢-混凝土组合梁提出了一种节省钢材且具有较高抗剪承载力的新型组合梁——腹板嵌入式钢-混凝土组合梁,由倒T形钢梁腹板上部开槽,嵌入到混凝土翼板中形成。通过4个局部受压试件的试验得出,腹板嵌入式组合梁局部受压承载力随混凝土强度等级和局部荷载作用下扩散应力分布面积的增加而提高。综合各影响因素推导出了腹板嵌入式组合梁中连接件的局部受压承载力计算公式,并提出进行局部受压设计时对横向配筋率和应力扩散深度的构造要求。通过理论计算值与试验结果的对比,验证了公式的适用性。     

单向往复荷载作用下装配式部分包裹混凝土组合梁受力性能试验研究

为研究装配式部分包裹混凝土(PEC)组合梁的受力性能,完成了12个试件的单向往复荷载试验,研究了剪跨比、混凝土厚度、对拉螺栓设置等对承载性能与变形能力的影响。研究结果表明:随着剪跨比的增大,试件的破坏形态由剪切破坏向弯曲破坏发展;在试验加载后期,部分试件出现腹板两侧混凝土破坏不对称现象,导致试件承受弯矩和剪力的同时,还受到了扭矩的作用;对拉螺栓不但能够提高型钢对混凝土的约束效应,防止受压钢翼缘的局部屈曲,而且能够发挥抗剪连接作用,保证型钢与混凝土的协同工作;对于小剪跨比试件,混凝土厚度对承载力的影响较大;混凝土厚度对正截面受弯承载力的影响则相对较小,因此大剪跨比试件的承载力受混凝土厚度的影响相对较小。根据叠加原理,提出了装配式PEC组合梁的受剪承载力计算公式;根据平截面假定,提出了全截面塑性状态下的装配式PEC组合梁的受弯承载力计算方法。提出了三折线模型,建立了Vm-Mm的归一化关系。     

Yield line theory based loading capacity analytical model of bolted endplate connections to square hollow section columns

为研究螺栓端板连接方钢管柱的承载力,进行了11个连接件的单调静力试验,分析了钢管和螺栓的3种典型破坏模式,以及钢管管壁厚度、螺栓列距与直径、盲孔螺栓Hollo-bolt构造等因素对连接件承载力的影响,提出了预测该类连接承载力的改进屈服线计算模型。研究结果表明：螺栓端板连接方钢管柱的破坏模式与钢管管壁厚度以及螺栓列距相关,承载力随钢管厚度以及螺栓列距和直径的增大而增大;通过连接件整体位移和钢管管壁连接面竖向位移与荷载关系,按双线性屈服模型得出的承载力预测值与试验值相近;由连接件试验结果折算得到的预测结果可用于此类节点的屈服弯矩计算。基于屈服线理论建立的连接件承载力的计算模型的计算结果,与试验结果比较,二者吻合较好。