钢结构高效装配减震体系拟动力和静力试验研究

针对装配式钢结构中广泛应用的钢框架箱型柱全熔透焊接的传统连接技术存在热影响区力学性能差、施工效率低、人工成本高、污染环境等关键问题,课题组提出芯筒式全螺栓连接节点,结合中间柱摩擦阻尼器减震技术,构建一种高效装配式减震钢结构体系。以工程实例为原型结构,对其中一榀进行0.7倍缩尺,对钢结构高效装配减震体系试验框架进行拟动力和拟静力试验研究。研究表明在El-Centro波8度(0.2g)多遇、设防、罕遇和8度(0.3g)罕遇地震作用下,试验框架表现出良好的刚接性能,拟动力试验结束后基本无塑性损伤。拟静力试验大变形情况下,试验框架滞回曲线呈双线性,结构主要通过阻尼器进行耗能,试验结束时,除柱脚应变较大外,节点域以及梁和中间柱位置几乎保持弹性状态。结果表明钢结构高效装配减震体系节点有良好的受力性能,中间柱型阻尼器发挥了耗能作用。     

矩形钢管柱与H型钢梁单边螺栓连接节点的抗震性能与恢复力模型研究

为研究矩形钢管柱与H型钢梁单边螺栓连接节点抗震性能,对5个单边高强螺栓连接节点试件和1个常规高强螺栓连接节点试件进行了拟静力试验,研究了矩形钢管柱与H型钢梁单边螺栓连接节点破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能、刚度退化等抗震性能指标,对比了单边高强螺栓与常规高强螺栓连接节点抗震性能的差异性;分析了节点构造参数对单边高强螺栓连接节点抗震性能的影响,根据节点滞回特性和单边高强螺栓受力特点提出了节点恢复力模型。研究结果表明:节点试件的破坏模式中单边高强螺栓均产生滑移现象;节点试件的滞回曲线捏缩严重,滞回曲线呈反S形,且有明显滑移直线段;节点试件初始转动刚度约为常规高强螺栓连接节点的70%,单边高强螺栓滑移使节点具有很大的转动变形能力,节点试件的极限转角为0.06~0.08 rad;节点的受弯承载力与常规高强螺栓连接节点基本一致,单边高强螺栓能够满足节点承载力设计要求;节点试件的等效黏滞阻尼系数为0.15~0.17,等效耗能系数为1.29~1.77,延性系数为1.62~2.26,其耗能和延性性能均低于常规高强螺栓连接节点;通过设置端板加劲肋可有效提高节点试件的抗震性能,设置内隔板对节点试件的抗震性能提高效果不明显;提出的节点恢复力计算模型与节点试件的试验曲线吻合较好。     

箱形截面柱剪力键式全螺栓连接受力性能研究

为了解决传统箱形截面柱法兰连接节点对结构空间占用的问题，提出了一种箱形截面柱剪力键式全螺栓连接节点，并对2个全螺栓连接箱形截面柱和1个整体式箱形截面柱进行拟静力试验研究。观察了全螺栓连接箱形截面柱的破坏现象，分析了全螺栓连接箱形柱的滞回性能、承载力、刚度退化、延性以及耗能能力等受力特性。结果表明：整体式箱形截面柱和剪力键式全螺栓连接箱形截面柱均发生塑性铰破坏；滞回曲线饱满，具有良好耗能能力；剪力键和水平单向螺栓的设置可使全螺栓连接箱形截面柱承载力提高24.64%,竖向高强螺栓拉力降低29.44%;节点处钢连接件的设置约束了箱形截面柱的屈曲变形，与整体式箱形截面柱相比，全螺栓连接箱形截面柱的位移延性系数提高了26.47%;钢连接件间无滑移，剪力键式全螺栓连接节点连接可靠。通过剪力键式全螺栓连接节点与刚接节点有限元分析结果对比，表明在工程应用中箱形截面柱剪力键式全螺栓连接节点可等效刚接。采用GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》对箱形截面柱剪力键式全螺栓连接节点进行承载力验算，计算结果与试验结果吻合。     

H形梁翼缘与端板非全熔透焊接的节点性能试验研究

对H形梁翼缘与端板分别采用全熔透焊接和非全熔透焊接的节点进行了对比试验。选择板件宽厚比、端板厚度、翼缘板与端板平面的夹角等设计参数,对24个试件进行了单调加载试验,6个试件进行了反复加载试验。试验结果表明:节点无一例发生焊缝破坏,焊缝形式对连接的最大荷载、翼缘近焊缝端应变以及滞回性能等无明显影响;在以局部屈曲为主要控制模式进行设计的轻型门式刚架中,无论对单调静力荷载还是反复荷载,H形梁翼缘与端板的连接都可采用非全熔透焊接。     

箱形柱芯筒式双法兰连接平面框架抗震性能试验研究

为解决施工现场闭口截面柱焊接难的问题,提出一种便于钢结构高效连接的箱形柱芯筒式双法兰连接及其在多遇、设防以及罕遇地震作用下的设计方法,依此设计了一榀5层原型结构,并对7:10缩尺的子结构进行拟动力和拟静力试验,研究结构的滞回性能、各典型部位应变、刚度、法兰板滑移和螺栓拉力等受力性能.拟动力试验结果表明,结构在El Ce...     

屈曲约束支撑滞回性能的影响因素

为检验不同连接方式及构造方式对屈曲约束支撑滞回性能的影响,设计了螺栓连接和铰接2种连接方式,"十"字形、"T"形及"一"字形3种芯材截面形式,端部焊接型及中部切削型2种芯材制作方式,沿芯材纵向全长焊接及仅在工作段焊接2种组合方式共7个屈曲约束支撑试件。通过拟静力加载试验,分析了屈曲约束支撑的承载力、割线刚度、耗能系数及延性等变化规律。结果表明:7个试件的滞回曲线饱满稳定、耗能能力强;承载力、耗能系数及延性均随加载位移的增大而增大,割线刚度随加载位移的增大而降低,恢复力模型具有典型的双线性特征;连接方式及构造特性对屈曲约束支撑的滞回性能不产生明显影响,芯材材料性能、宽厚比、间隙与芯材厚度的比值是影响其滞回性能的主要因素。结果表明,两角钢具有协同的工作性能;提高焊接质量、增大限位卡附近过渡圆弧的曲率半径分别是增强两种类型屈曲约束支撑稳定滞回的主要工艺及构造措施。     

剪切机制耗能端板螺栓连接组合联肢剪力墙钢连梁抗震性能试验研究

将端板螺栓连接构造引入钢-混组合联肢剪力墙中,用于连接钢连梁与混凝土墙肢。设计并制作了1组(2个)小剪跨比连梁双肢组合剪力墙试件,分别采用端板螺栓连接和传统直插式的连梁-墙肢连接构造形式,进行低周往复加载试验,以研究两种连接构造形式下钢连梁与混凝土墙肢连接试件的滞回性能、刚度与承载力退化特征以及破坏模式。试验结果表明:用端板螺栓连接代替直插式连接构造,能够有效减轻钢连梁-墙体连接区域混凝土损伤程度,屈服后非线性变形主要集中在钢连梁端部,且钢连梁能够达到美国AISC 341-05规范要求的0.08 rad非线性转角限值,充分发挥滞回耗能作用,刚度、承载力退化不明显,延性好,与传统直插式钢连梁-墙肢连接具有相同甚至更好的抗震性能。     

张爱林 北京市高层和大跨度预应力钢结构工程中心主任 教育部长江学者创新团队带头人 中国钢结构协会副会长

突出贡献张爱林自主创新研发了大跨度预应力半装配式弦支穹顶、装配式索穹顶新体系以及斜支撑法兰螺栓连接钢框架、桁架梁方钢管柱螺栓连接钢框架、带Z字形悬臂梁螺栓连接钢框架、芯筒式螺栓连接钢框架、预应力自恢复功能螺栓连接钢框架等高层全装配钢结构新体系，并提出了相应的结构优化设计理论和方法。新体系突破了国际上弦支穹顶60米跨度限制，实现了大跨度；突破了钢柱传统现场焊接连接约束瓶颈，     

T形钢连接梁柱半刚性节点滞回性能试验研究及数值分析

为研究T形钢连接梁柱半刚性节点的滞回性能,对6个T形钢连接梁柱半刚性节点试件进行拟静力试验。分析梁高、螺栓直径、T形连接件尺寸、螺栓个数以及柱截面面积等参数对节点的受力过程、破坏模式、滞回性能、延性性能的影响。利用有限元软件ABAQUS对试验过程进行分析,将分析结果和试验结果进行对比并分析了误差产生的原因。研究结果表明:T形钢连接梁柱节点变形性能良好,节点的极限转角均超过0.03 rad,是典型的半刚性连接节点;节点延性性能良好,各节点位移延性系数均大于3;各试件的滞回曲线在加载后期呈Z形,节点耗能系数较小(与端板连接半刚性节点相比);T形连接件尺寸和连接柱及T形件的螺栓个数是影响节点初始刚度、承载力和变形能力的主要因素,梁高对节点性能的影响次之;有限元分析结果与试验结果基本吻合;采用考虑材料循环塑性特征的有限元分析模型可以很好地预测节点在循环荷载作用下的受力性能。     

钢框架梁柱连接节点转动刚度试验研究

为了探讨钢框架梁柱连接节点的转动刚度和破坏模式,针对常见梁柱节点类型,包括全焊接连接、外伸式端板螺栓连接、T型钢螺栓连接、上下翼缘及腹板角钢螺栓连接等,进行了单向加载试验研究。试验结果表明,各类节点的总转角均超过了0.05 rad,塑性转角均超过了0.04 rad;节点域剪切变形较大,特别是全焊接节点,使节点转动刚度显著降低;当连接较强时,框架梁可以在连接破坏之前形成塑性铰;当连接较弱时,连接件容易因过度变形而破坏。通过对试验数据的分类整理分析,梁柱节点总转角可以分成节点域转角和连接转角两大部分,给出了常见节点类型在弹性阶段的转角及转动刚度简化计算方法,并与试验结果进行了对比,计算结果与试验结果吻合较好。     

Performance of CFTST column to steel beam joints with blind bolts under cyclic loading

The objective of this research is to investigate the seismic performance of the composite joint consisting of square concrete filled thin-walled steel tubular (CFTST) column and steel beam with end plate and blind bolts. The cold-formed square tube in each CFTST column connection was fabricated by seam welding together four pieces of lipped angle with nominal wall thickness 1.5 mm or 3 mm. Four exterior joint specimens were tested under axially compressive load on the top of the columns and cyclic loads on the beam tip. The experimental parameters in the study were the thickness of the steel tube and the type of end plate. The seismic response of the blind bolted moment joints to CFTST columns was analyzed and evaluated in terms of the hysteretic behavior, failure modes, stiffness and strength degradation, ductility, and energy dissipation capacities of the joints. To improve the tension behavior of the blind bolted moment connections to the thin tube wall, the anchorage action of reinforcing rebar welded to the bolts with concrete-filled steel tubes was also investigated to consider the effect of cyclic loading. The experimental and analytical results indicated that when the end plate thickness is not less than 3 mm, the flush or extended end plate joints to CFTST columns exhibited large hysteretic loops and excellent seismic performance, such as ductility and energy dissipation capacity. The proposed innovative blind bolted joint was verified as a reliable and effective solution applied in mid- and low-rise buildings through properly design and detailing.     

X形插板连接型钢结构梁柱节点受力性能

为提高采用梁柱栓焊连接节点的变电站的安装施工效率,考虑变电站钢结构受力性能特点,提出在方钢管柱4个角部的45°方向焊接柱端钢板,钢梁端部焊接梁端钢板,然后通过高强螺栓连接梁端钢板和柱端钢板形成一种新型X形插板连接型钢结构梁柱装配式节点。设计了4个具有不同梁端钢板厚度和螺栓直径的节点模型并进行了受力性能试验。采用ABAQUS软件建立了节点模型并验证了模型的准确性,基于校核后的节点有限元模型分析了柱端钢板厚度和螺栓数量对节点受力性能的影响。结果表明:节点破坏主要发生在钢梁与梁端钢板焊缝连接处; 增加梁端钢板厚度和螺栓直径能显著提高节点的转动刚度和承载力,但仍为半刚性连接节点; 增加柱端钢板厚度和增加螺栓数量可以减小柱端钢板的损伤,但对梁端钢板损伤几乎不产生影响,同时增加螺栓数量的设计方式还可以提高节点的承载力。     

Experimental investigation of extended end plate joints to concrete-filled steel tubular columns

An experimental programme to obtain the behaviour of blind bolted extended end plate joints to circular or square concrete-filled steel tubular (CFST) columns under monotonic loading has been conducted. In order to enhance the strength and stiffness of the connections, the anchorage extensions are provided to the blind bolts to link the connection back into the concrete with the tubular. This paper investigated the effect of the end plate thickness and the column section type on the static behaviour and failure modes of the tested connections. The structural performance of the blind bolted extended end plate connections was evaluated in terms of the moment–rotation relationship, connection rigidity, the deformation pattern and the strain response. The test results showed that the blind bolted extended end plate connection to CFST columns exhibits high strength and stiffness, while its connection rotation capacity satisfies the ductility requirement for earthquake resistance in aseismic region. The experimental studies also demonstrated that the strength and stiffness of the connections can be improved by providing anchorage extensions to the blind bolts, and utilising moderately thick end plates leads to joints approaching full strength for the extended end plate connections.     

冷弯方钢管柱-H型钢梁外伸端板单向螺栓连接节点性能试验研究

为研究冷弯方钢管柱-H型钢梁外伸端板单向螺栓(hollo-bolt)连接节点的静力性能,对3个足尺寸的边柱节点进行了静力加载试验,试验研究参数为端板厚度和柱壁厚度。通过分析试验现象得到了不同端板厚度、柱壁厚度下单向螺栓连接节点的静力性能及破坏机理等,绘制了弯矩-转角曲线,对节点核心区各组件的应力-应变曲线进行了详细的分析。研究结果表明:随端板厚度增加,节点承载力不断增加,当端板厚度达到16mm后,端板厚度不再是节点承载力控制的主要因素;在其他条件不变的情况下,柱壁厚度对节点承载能力及转动能力有显著影响,柱壁厚度增加可有效提高节点刚度和承载能力。节点的极限转角较大,节点具有良好的变形能力,破坏形态主要有端板弯曲变形、单向螺栓套筒剪断和柱壁鼓曲变形破坏3种。     

L形钢管混凝土柱-H型钢梁全螺栓装配节点抗震性能研究

为同时实现梁柱之间和柱柱之间装配,提出一种适用于多高层钢结构的异形钢管混凝土柱与H型钢梁的全螺栓连接节点.上柱、下柱、L形件与H型钢梁4个模块在工厂制作完成,在施工现场通过螺栓进行装配,可实现梁与柱、柱与柱之间的快速连接.通过改变盖板螺栓数量、加劲肋种类设计了4个节点,对其进行了拟静力试验与有限元分析,获得了节点的滞回...     

方钢管柱-H形梁栓焊混合连接节点抗连续性倒塌性能试验研究

以2个方钢管柱-H形梁内隔板式刚性连接节点试件为研究对象,采用双半跨单柱型梁柱子结构,通过静力加载试验研究梁柱节点在中柱失效的连续性倒塌条件下的力学性能。试件梁柱节点采用栓焊混合连接方式,2个试件的腹板分别采用不同的螺栓排列形式。结果表明,试件的破坏均出现在节点区,发生于梁弦转角达到0.06 rad之后。最不利梁截面破坏时,首先发生下翼缘断裂,采用螺栓单列布置的试件发生下排螺栓孔壁局部承压与冲剪顺序破坏,而采用螺栓双列布置的试件发生剪切板内列螺孔处净截面开裂。梁柱子结构在加载前期主要通过受弯机制提供竖向抗力,在加载后期逐渐转变为依靠悬索机制抵抗上部荷载,且悬索机制最终可提供的竖向抗力高于前期受弯机制提供的竖向抗力。与梁柱节点采用腹板螺栓中部集中布置形式相比,腹板螺栓沿梁高度分散布置更利于梁翼缘开裂后剩余截面发展轴向拉力,可提高悬索机制竖向抗力与节点鲁棒性。     

方钢管柱-H形钢梁拼接外套筒式中节点静力性能研究

钢结构节点形式存在传力路径不明确以及现场焊接施工影响节点质量等问题,为此,提出了一种拼接外套筒式节点,该节点采用高强螺栓快速安装,能加快施工进度且保证施工质量。通过对两个足尺中节点进行近似同步对称单调静力加载试验和有限元数值模拟,研究静载作用下试件的弯矩-转角关系、受力特征、破坏过程、极限承载能力以及节点域范围内应力分布,对比分析不同外套筒厚度对节点的极限承载能力和初始转动刚度的影响。结果表明：该类节点的受剪性能较好,静载作用下梁柱相对转角分别达到0.08rad和0.06rad以上,具有较好的转动能力和延性。同时,该类节点的受弯承载力和刚度主要受外套筒和柱壁的影响较大,外套筒的存在能够增强柱壁的刚度,进而提高柱截面的受弯承载能力。     

H形梁-工形柱弱轴箱形节点域连接节点单调加载试验研究

提出了一种新型的适合于H形梁与工形柱弱轴箱形节点域连接节点的构造形式，该连接属于后Northridge连接方式。试验中共设计梁端标准、梁端加盖板、梁端截面削弱和梁端加腋4种不同的处理方式的足尺边框架节点试件。通过单调加载试验，得到各个试件的破坏模式、塑性铰出现位置及节点域组成板件的应力分布情况。试验现象和试验数据分析结果表明，各试件破坏时，塑性铰均出现在远离连接位置的梁截面上，节点域和工字形柱基本处于弹性工作状态，节点域组成板件的应力均较小，其转角延性系数都大于4，塑性转角都大于0.030rad，说明H形梁-工形柱弱轴箱形节点域连接节点具有较高的延性和塑性转动能力，完全能够实现“强柱弱梁”、“强节点弱构件”及“强节点域”的抗震设计目标。     

预制装配式型钢混凝土剪力墙试验对比研究

采用对比试验研究方式,通过对同尺寸、同配筋的现浇式型钢混凝土剪力墙试件和预制装配式型钢混凝土剪力墙试件的低周往复加载试验,研究了预制装配式型钢混凝土剪力墙的承载能力、滞回性能、刚度退化等抗震性能,以及灌浆销栓式套筒连接节点对型钢混凝土剪力墙抗震性能的影响趋势。结果表明,预制装配式型钢混凝土剪力墙的承载能力、刚度、耗能性能均略低于现浇式型钢混凝土剪力墙,但基本能够满足结构承载和抗震要求;对连接节点的分析可知,除了销栓的抗剪能力外,加强销栓与套筒和型钢之间的紧固,可以更好的提升套筒的连接性能。