梁柱端板连接节点初始转动刚度计算模型

应用组件法建立了端板连接节点初始转动刚度计算模型,考虑了端板受弯、柱翼缘受弯、螺栓受拉、柱子腹板受剪、柱子腹板受压和柱子腹板受拉变形对连接节点转动刚度的影响。基于板壳理论计算端板和柱子翼缘的弯曲变形,给出了不同加劲肋设置情况下的刚度计算公式;根据有限元分析结果,把柱子腹板受压刚度计算采用的有效宽度和EC3建议的承载力计算有效宽度统一;在计算螺栓刚度时,考虑了因螺栓预拉所挤紧的周围板件对螺栓变形的影响。该文模型和试验结果及已有模型进行对比,表明该计算模型不仅能精确计算节点的转动刚度,且相对于现有的分析模型更为简便、准确,便于实际工程中应用。     

基于节点刚度的钢框架梁柱子结构抗倒塌性能试验研究

以钢框架中3种不同连接节点形式（栓焊连接、顶底角钢腹板双角钢连接和腹板双角钢连接）的两跨三柱型梁柱子结构为研究对象,通过对中柱施加静力荷载的大变形试验考察梁柱子结构在中柱失效连续倒塌条件下的破坏模式、力学形态和抗倒塌机理。结果表明:栓焊连接试件因梁柱节点处梁端受拉翼缘发生断裂而失效;顶底角钢腹板双角钢连接试件为梁柱相连的受拉角钢在螺栓孔处发生断裂,且因梁端腹板螺栓孔发生承压破坏而失效;腹板双角钢连接试件因腹板两侧角钢在螺栓孔处断裂而破坏。梁柱节点刚度对结构的抗倒塌性能影响较大,腹板双角钢连接试件主要通过悬链线机制提供抗力;而其他两类试件在加载前期主要通过梁机制提供抗力,进而转变由悬链线机制来抵抗外部荷载。其中,顶底角钢腹板双角钢连接试件在后期更能充分发展梁端节点转角和梁截面轴力,表现出更为富余的抗倒塌能力储备。     

平端板连接半刚性梁柱组合节点的初始转动刚度

在现有研究成果的基础上,推导了柱腹板抗压、抗拉和抗剪刚度;钢筋抗拉刚度;柱翼缘和端板抗弯刚度;混凝土楼板抗压刚度等.在此基础上,利用组件法,推导了组合节点初始转动刚度的计算方法、考虑了组合节点承受正弯矩、负弯矩作用的情况.与试验数据比较表明:该方法具有很好的计算精度.给出的初始刚度计算公式,既适用于按照完全抗剪连接设计...     

火灾下加劲肋对梁柱外伸端板连接性能的影响

为深入了解柱腹板加劲肋对外伸端板连接节点耐火性能及破坏模式的影响,采用非线性有限元法研究了加劲肋对外伸端板连接节点耐火性能及破坏模式的影响。结果表明:柱腹板加劲肋对节点的耐火极限及破坏模式影响很大。柱腹板不设加劲肋,柱腹板承拉及承压域内的塑性应变随温度升高不断增加,最终形成塑性铰,柱失稳;只设承压加劲肋时,柱腹板承拉区屈服,导致柱失稳,节点失效;设置承拉及承压加劲肋时,节点域内的塑性应变较小,破坏模式为端板承拉区形成塑性效线并与柱翼缘脱开,引发梁的大转动,导致梁承压下翼缘局部屈曲失稳及梁轴向温度内力减小。梁轴向温度内力的减小有助于柱及整体框架结构火灾下的稳定。     

梁柱端板连接节点的初始刚度计算

将节点分为受弯端板、受弯柱翼缘和受剪节点域三类组件,分别计算各组件的初始刚度并将其进行组装,提出了端板连接节点初始刚度的理论计算方法。该方法考虑了端板有加劲肋、无加劲肋两种构造形式,考虑了螺栓预拉力对节点刚度的影响,考虑了柱翼缘对节点域刚度的贡献,通过与试验和有限元结果对比表明该方法具有足够的精度,可用于节点刚性的判断。最后利用理论方法对按照现行规范设计的端板连接节点刚性进行了初步评价,并讨论了端板加劲肋的影响。     

穿心板式钢管混凝土柱-钢梁栓焊连接节点力学性能分析

该文提出两种适用于窄截面钢管混凝土柱的穿心板式栓焊节点，两种节点的下翼缘和腹板采用螺栓连接，上翼缘采用焊接连接。该节点既能有效避免室内凸角的出现，又能解决全螺栓连接节点需要预留安装缝、节点刚度偏低的问题，同时具有可快速装配、方便混凝土浇筑等优点。该文阐述了节点的构造、加工及装配过程、设计原理；基于单调加载试验建立有限元模型，分析了该节点的受力过程、破坏模式、刚度和延性。结果表明：有限元模型分析结果与试验吻合较好；穿心板式栓焊连接节点的主要破坏模式为梁受压翼缘的屈曲及相邻腹板的鼓曲，节点塑性铰远离节点核心区，符合强节点弱构件的设计原理；节点属于刚性连接，具有较大的刚度和承载力、较好的延性。     

拉剪组合作用下平齐端板节点火灾行为的有限元分析

常温竖向荷载作用下平齐端板节点以承受剪力为主,高温下的大变形导致梁内产生巨大的悬链拉力,节点通常在拉剪共同作用下发生破坏。采用通用有限元软件ABAQUS建立平齐端板节点的三维实体分析模型,考虑材料的非线性及节点大变形的影响,模型建立了各部件间显式的接触关系。采用试验结果对模型进行验证分析,结果表明有限元方法可以准确地模拟出节点受力及变形,同时可以方便地得到节点整个破坏过程。螺栓受力分析表明,螺栓剪力越大则其极限抗拉承载力越小。对节点进行不同荷载组合的参数分析的结果表明:节点的临界温度随着拉力或剪力的增加而降低,且剪力的影响更为显著;在所研究的参数范围内,抗拉与抗剪相关承载力基本呈负的线性关系;增加端板厚度可以有效提高节点抗拉及抗剪承载力。     

角钢塔K形节点初始转动刚度计算模型

运用组件法建立了输电塔中角钢塔K形节点初始转动刚度的计算模型,考虑了主角钢受剪、螺栓受剪、孔壁变形对节点转动刚度的影响。将主角钢受剪肢视为以剪切变形为主的短柱,采用叠加原理计算受剪肢的剪切变形,进而得到其转动刚度;将螺栓视为铁摩辛柯梁,采用虚功原理和单位荷载法求解其抗剪刚度。并结合5组足尺试验进行了修正,结果表明:该力学模型具有较好的适用性。通过参数分析可知,螺栓个数和螺栓间距是影响该类节点初始刚度最重要的因素,其他如主角钢肢宽和肢厚、螺栓直径、节点板厚度对初始刚度也有一定的 影响。     

钢框架梁柱端板连接的非线性有限元分析

运用通用有限元软件ANSYS建立三维有限元模型,对8个不同形式、不同构造的钢框架梁柱端板连接进行了非线性有限元分析(FEA),并与相应的试验结果进行了全面对比分析。比较结果表明:该文的有限元模型不但能够准确地分析计算各种类型和不同构造的钢框架梁柱端板连接节点的整体受力特性,包括承载力、弯矩-转角(M-φ)曲线、极限变形状态等,还能有效地分析计算节点及其组件的细部受力特性,包括高强度螺栓的预拉力,端板和柱翼缘之间的接触状态,以及节点域、端板、螺栓、端板加劲肋、节点域加劲肋等组件的受力状态,为进一步运用该模型对各种形式和构造的端板连接进行全面的有限元参数分析计算提供了正确性依据。同时,有限元分析还给出了螺栓预拉力引起的接触面预压力分布、荷载作用下接触面的摩擦力分布以及节点的主应力流分布等对于全面和深入理解端板连接节点受力特性非常有意义但是又难于通过试验进行测量的结果。     

基于SMCS模型的高强螺栓及节点火灾全过程断裂性能模拟

高强螺栓广泛应用于钢结构节点连接,火灾高温会影响其基本材性和断裂行为,从而影响螺栓节点抗火性能甚至整体结构抗倒塌性能。基于10.9级高强螺栓火灾全过程(升温段、降温段、火灾后)单轴拉伸试验结果,结合有限元模拟,对不同温度历程和应力三轴度对应的螺栓SMCS断裂模型进行校准,并与螺栓材性试验和T-stub节点试验结果对比验证;对T-stub节点火灾全过程断裂行为进行参数分析,研究损伤准则和温度历程对节点失效模式和变形特征的影响。结果表明：校准的SMCS模型能够有效、准确地预测螺栓和节点在火灾全过程和高应力三轴度(0.3～1.2)下的受拉断裂行为,适用预测误差在12%以内;拉伸温度和峰值温度是影响高强螺栓抗断能力的主要因素,螺栓抗断能力随温度升高而提高;不同温度历程下T-stub节点可能发生翼缘板屈服断裂、翼缘板和螺栓同时屈服断裂、螺栓屈服断裂三种失效模式,且节点的变形能力(延性系数)与失效模式有关,确定钢板母材和螺栓的断裂模型是准确预测节点失效模式的关键。     

T型钢连接梁柱节点抗火性能试验研究

为研究T型钢连接梁柱节点的抗火性能及破坏模式,使用垂直抗火试验炉,采用恒载升温方式,对4个十字形足尺钢框架T型钢半刚性节点进行抗火试验。试验主要考察T型钢厚度、高强螺栓直径和楼板等因素对节点抗火性能的影响。试验过程中对节点的温度发展和变形情况进行测量,并对钢梁的位移-时间曲线进行分析。结果表明:火灾下T型钢节点的破坏模式主要取决于T型钢和高强螺栓间的相对承载力,承载力相对弱的部分将先发生破坏;混凝土楼板可以较大幅度地提高节点的抗火性能,高强螺栓直径和T型钢壁厚对节点的抗火性能影响不显著;T型钢节点刚度和抗弯承载力在温度升高到500℃~650℃之前无明显变化,之后迅速下降。     

基于微观机理的梁柱节点焊接细节断裂分析

高强螺栓广泛应用于钢结构节点连接,火灾高温会影响其基本材性和断裂行为,从而影响螺栓节点抗火性能甚至整体结构抗倒塌性能。基于10.9级高强螺栓火灾全过程(升温段、降温段、火灾后)单轴拉伸试验结果,结合有限元模拟,对不同温度历程和应力三轴度对应的螺栓SMCS断裂模型进行校准,并与螺栓材性试验和T-stub节点试验结果对比验证;对T-stub节点火灾全过程断裂行为进行参数分析,研究损伤准则和温度历程对节点失效模式和变形特征的影响。结果表明：校准的SMCS模型能够有效、准确地预测螺栓和节点在火灾全过程和高应力三轴度(0.3~1.2)下的受拉断裂行为,适用预测误差在12%以内;拉伸温度和峰值温度是影响高强螺栓抗断能力的主要因素,螺栓抗断能力随温度升高而提高;不同温度历程下T-stub节点可能发生翼缘板屈服断裂、翼缘板和螺栓同时屈服断裂、螺栓屈服断裂三种失效模式,且节点的变形能力(延性系数)与失效模式有关,确定钢板母材和螺栓的断裂模型是准确预测节点失效模式的关键。

     

Evaluation by a finite element method of the flexibility factor and fixity degree for the base plate connections commonly used

Using finite element approach, we have determined the flexibility factor and fixity degree of connections between a steel column and a reinforced concrete foundation. Two types of connections are studied. The first one consists of a base plate welded to the end of column and attached to the reinforced concrete foundation by two anchor bolts. These bolts are placed on the major axis of the I-shaped section used as column. In the second configuration, the connection comprises a base plate and four anchor bolts placed out side the flanges of the I-shaped section. Two types of loadings are used, first connections were subjected to shear force and a bending moment, in the second case, the connections were subjected to shear force, a bending moment and an axial compressive force. To take into account the real behavior of these connections, an approach treating of the contact-friction problem between the base plate and the concrete foundation is retained. The method of approach is based on a unilateral contact law in which a Coulomb friction is added. The numerical resolution is ensured by the refined Lagrangian method. The moments-rotations curves, the flexibility factor according to the distance of the top of base plate curves are drawn. The fixity degrees of the connections are determinate and their influence on the loads and deformations are evaluated. __________ Translated from Problemy Prochnosti, No. 6, pp. 35–50, November–December, 2007.     

两种组合钢框架火灾变形性能的试验研究

利用自行研制的火灾加温试验炉及相关测试装置,对2种不同连接方式共4榀组合钢框架在不同的火灾工况下的火灾变形性能进行了试验研究,火灾工况包括:梁、板、柱同时受火而节点不受火和梁、板受火而柱、节点不受火2种。试验中量测了炉温,H型钢梁、柱及钢筋混凝土楼板中的温度分布,结果表明:裸钢的温度相差很小,而埋入混凝土中的钢的升温曲线与裸钢的有较大差异;混凝土的升温曲线则与钢的升温曲线差别较大,加温初期不久由于混凝土凝结水等的原因致使温升曲线存在有一平缓阶段,且随着距受火面距离增大混凝土的温升曲线有明显的滞后现象,当炉温和裸钢的温度开始下降时,混凝土的温度却仍在升高。该文对框架的变形和组合梁变形进行了分析,经比对2种连接方式组合钢框架的火灾行为后,给出了工程应用建议。     

A new model for the analysis of composite steel – concrete slab and beam structures with deformable connection

 In this paper a solution to the bending problem of reinforced concrete slabs stiffened by steel beams with deformable connection including creep and shrinkage effect is presented. The adopted model takes into account the resulting inplane forces and deformations of the plate as well as the axial forces and deformations of the beam, due to combined response of the system. The analysis consists in isolating the beams from the plate by sections parallel to the lower outer surface of the plate. The forces at the interface producing lateral deflection and inplane deformation to the plate and lateral deflection and axial deformation to the beams are related with the interface slip through the shear connector stiffness. Any distribution of connectors along the interface and any linear or non-linear load–slip relationship or partial shear connection for the shear connectors can be handled. The creep and shrinkage effect relative with the time of the casting and the time of the loading of the plate is taken into account. The solution of the arising plate and beam problems, which are nonlinearly coupled, is achieved using the analog equation method (AEM). The adopted model compared with those ignoring the inplane forces and deformations, approaches more reliable the actual response of the plate–beams system. Moreover, it permits the evaluation of the shear forces at the interfaces, the knowledge of which is very important in the design of composite steel–concrete structures. Received: 21 June 2002 / Accepted: 5 March 2003     

框架梁柱节点处双力矩与翘曲位移的关系

对于薄壁构件框架结构的梁柱节点处翘曲未知量之间的转换,软件ANSYS和ABAQUS采用了错误的做法。该文把节点域梁柱翼缘和加劲肋看成井字梁系,考虑它们在框架平面外的弯曲和扭转,通过翼缘板件内力和位移与杆件截面内力和位移的关系,得到了节点域与杆件的四个连接面上双力矩和翘曲位移的关系。对 形框架进行了算例分析,与板壳有限元计算结果进行了对比,验证了得到的翘曲半刚性公式的正确性。通过算例也验证了梁柱节点处柱子翘曲位移与梁翘曲位移近似存在着相等相反的关系。     

工厂加工制作的特殊构造梁柱节点抗震性能有限元分析

为研究工业用途的某特种钢结构的抗震性能,该文在3个特殊构造梁柱节点的循环加载试验研究的基础上,采用有限元软件ABAQUS中的C3D8R实体单元建立模型,对该特殊构造梁柱节点的滞回性能进行了模拟分析,模型考虑了材料非线性、几何非线性的影响。通过有限元分析与试验结果的比较,验证了有限元模型的正确性。在此基础上,提取有限元模拟的局部分析结果,包括螺栓拉力的变化与节点组件的损伤指数,进一步为试验研究的最终破坏形态提供微观的力学解释。结果表明,试件I螺栓端板连接中梁翼缘两侧的螺栓拉力基本相同;试件I和试件II中柱强轴方向连接构造的断裂最可能发生在连接界面处的梁下翼缘中心,试件II和试件III中柱弱轴方向连接构造的断裂最可能发生在柱翼缘端部的盖板。研究结果可为此类特殊构造梁柱节点的各个组件力学行为分析以及相关的设计方法提供一定的参考。     

考虑组合作用的钢-混凝土组合梁抗剪承载力

针对当前规范和各学者有关钢-混凝土组合梁抗剪承载力公式都未考虑钢梁翼缘抗剪贡献导致计算结果误差较大的现状,笔者采用合理的材料本构关系,通过ABAQUS有限元软件建立考虑栓钉受力特征的组合梁足尺有限元模型进行抗剪性能研究。在验证现有试验结果的基础上通过参数分析,确定了组合梁界限剪跨比,揭示了剪切荷载作用下组合梁栓钉内力重分布规律,以及钢梁与混凝土翼板组合作用规律与抗剪荷载分担比例。基于叠加原理提出了考虑混凝土板和钢梁腹板与翼缘抗剪贡献的工字钢-混凝土组合梁抗剪承载力计算公式。对比结果显示该文提出的抗剪承载力计算公式的精度比GB 50017?2017建议公式以及其他学者建议公式的精度高。