钢筋混凝土柱-钢梁盒式节点抗震性能试验研究

为改善钢筋混凝土柱-钢梁(reinforced concrete columns and steel beam,RCS)节点的抗震性能,在柱贯通型RCS节点的基础上,提出了一种盒式RCS节点。通过对4个RCS盒式节点试件的低周往复加载试验,研究了节点的破坏特征、受力特点和抗震性能,分析了节点梁端附加盖板加强、内部腹板间距和厚度对试件破坏模式、滞回耗能特性及变形的影响。结果表明:试件的破坏集中在柱端和梁端,节点区未发生失效,满足"强节点弱构件"的设计要求;试件破坏时,其延性系数均大于3.0,等效黏滞阻尼系数在0.16～0.27的范围内,具有较好的抗震性能;RCS盒式节点的剪力主要由内部腹板承担,而外部侧板主要起箍筋作用并承受部分剪力;加大内部腹板间距会减小对钢梁端板的约束,使内部腹板、外部侧板、钢梁端板和钢梁翼缘的应变减小;盖板会增加梁端抗弯刚度并增强钢梁端板的约束,使钢梁翼缘的应变减小,内部腹板和钢梁端板的应变显著增加;加厚内部腹板会增加钢梁端板的约束,使钢梁翼缘的应变显著增加,钢梁端板的应变略有增加,内部腹板的应变略有减小。盒式节点设计时应适当增大内部腹板间距并选用较大的板厚。研究成果可为该类RCS盒式节点设计提供参考。     

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。     

火灾下拉剪组合作用对高强螺栓节点性能影响的试验研究

火灾中节点的承载力随着温度的升高而降低,高温下梁的悬链线效应在梁内产生较大的拉力,高强螺栓连接节点通常在拉剪共同作用下发生破坏。采用自定义双线性炉温控制曲线,进行两类共8组高强螺栓连接节点的恒载升温试验,分析了端板式连接和腹板双角钢连接两类节点在高温以及拉剪共同作用下的变形发展及破坏规律。试验结果表明:高强螺栓连接节点区的梁端板、连接角钢、柱上翼缘及高强螺栓的温度接近,且较梁柱构件温度低50℃左右;节点刚度随着温度的升高而降低,且大约在节点温度达到500℃后刚度下降速度明显加快;火灾下8mm端板节点的变形集中于拉力较大侧端板及螺栓,16mm端板节点的变形则集中于拉力较大侧螺栓及柱上翼缘;腹板双角钢连接节点主要是角钢产生较大变形;两类节点失效温度随拉力或剪力的增加而减小,且同类节点在不同拉剪组合作用下的残余变形模态类似。     

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。     

采用端板螺栓连接的可更换耗能梁抗震及可更换性能试验研究

为研究端板-螺栓连接可更换耗能梁的抗震及可更换性能，设计制作了4个可更换耗能梁试件并进行了拟静力试验，研究不同长度系数对可更换耗能梁抗震性能和可更换能力的影响。结果表明：当长度系数较小时，试件发生剪切破坏，破坏特征包括腹板-加劲肋焊缝撕裂、腹板屈曲和腹板撕裂；当长度系数较大时，试件发生弯剪破坏，破坏特征包括梁端翼缘-端板焊缝撕裂和梁端翼缘屈曲；所有试件的滞回曲线非常饱满，具有优异的变形能力和耗能能力；可更换耗能梁的抗剪承载力强化明显，超强系数均值为1.9；采用端板-螺栓连接的可更换耗能梁均可实现震后可更换，当梁端残余转角为0.0020 rad～0.0046 rad时耗能梁可以实现震后更换，且更换快捷、操作简单；同时，根据耗能梁构件与带可更换构件的RCS混合框架结构体系的几何变形特征，可以将耗能梁的主要受力阶段划分为正常使用、非必要更换和必要更换3个阶段。     

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。     

外伸悬挑组合式锅炉大板梁的静力试验及有限元模拟分析

为揭示外伸悬挑组合式锅炉大板梁的受力机理和破坏模式,并验证某工程大板梁的设计可靠性,通过对外伸悬挑组合式大板梁缩尺模型的静力试验和考虑各种非线性的ABAQUS有限元数值模拟分析,研究了大板梁简支段和悬挑段在各加载阶段的承载力、局部应力、整体变形和局部屈曲等关键响应,对试验中的破坏现象给出了合理解释,并重点研究了悬挑段与简支段拼接端板与拼接螺栓的受力和变形特点。试验与模拟结果均表明大板梁在设计荷载作用下处于线弹性阶段,并具有足够的安全储备;支座附近腹板局部屈曲和悬挑段端板拼接螺栓断裂是大板梁的主要破坏模式,决定了梁的整体承载力;按拼接螺栓群的受力模式,悬挑梁端的弯矩和剪力分别由翼缘附近螺栓的抗拉连接和腹板附近螺栓的摩擦连接来承担。各阶段试验现象和数值模拟结果吻合较好,也验证了数值模拟方法的可靠性。     

带Z字形悬臂梁段拼接的装配式钢框架节点抗震性能试验研究

提出一种适用于装配式钢结构的带Z字形悬臂梁段拼接的梁柱节点。以滑移耗能的理念设计了基础试件,通过关键参数的变化得到六组试件。对六组试件进行了低周往复荷载作用下的试验研究,对节点的破坏模式和拼接区的滑移情况进行了分析,获得了节点的滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、转动能力以及刚度退化等抗震性能。结果表明:带Z字形悬臂梁段拼接的梁柱节点属于半刚性连接节点,节点变形性能良好。节点能有效利用拼接区摩擦面滑移、螺栓和孔壁挤压以及板件屈服实现耗能。适当减少翼缘高强螺栓数目能有效提高节点延性性能和塑性转动能力。翼缘和腹板螺孔开大孔和使用三角形垂直加劲肋对节点的耗能能力和承载能力影响很小。     

某焦煤车间钢梁的耐撞性分析

利用非线性有限元动力分析软件ANSYS/LS-DYNA研究了某焦煤车间制动梁的耐撞性问题,通过计算机数值模拟计算,分析了装煤钢方斗对制动梁的影响。结果表明:装煤钢方斗的作用为类矩形脉冲荷载;梁的下翼缘的应力很大,被撞区和支座处的腹板和加劲肋应力也很大,这表明可以适当加大下翼缘和腹板的厚度和减小上翼缘的厚度。     

波纹腹板H型钢梁受压翼缘局部稳定研究

根据波纹腹板梁翼缘局部失稳的特性提出波纹腹板H型钢梁翼缘局部失稳的理论计算模型,指出波纹腹板梁翼缘失稳相当于两加载边简支,一非加载边弹性转动约束的弹性板。由理论推导得到了翼缘局部弹性屈曲应力计算公式,利用有限元分析验证了该理论模型的有效性。同时探讨了受拉翼缘、梁的长度以及腹板参数变化对受压翼缘局部失稳的影响,最后根据有限元计算结果给出了可供工程设计参考的翼缘宽厚比限值计算公式。     

钢管混凝土柱-钢梁平面框架耐火性能的参数研究

该文建立了局部火灾下钢管混凝土柱-钢梁平面框架耐火性能分析的有限元计算模型, 计算结果与实测结果吻合较好. 考虑火灾发生位置及蔓延范围、钢梁高度、钢梁加劲肋的设置、梁荷载大小、柱轴压比等参数变化, 对钢管混凝土框架结构的变形和内力重分布规律、破坏形态、破坏机理和耐火极限进行了详细的参数研究. 研究表明:火灾作用位置对框架耐火极限有影响, 梁荷载对框架耐火极限影响较大, 而轴压比对框架耐火极限影响 不大.     

短剪切型消能梁段的力学性能及其影响因素研究

已有研究表明,长度比小于1.0的短剪切型消能梁段与普通剪切型消能梁段的超强系数和塑性转角存在较大差异。该文基于Q235和Q345钢材,设计108个考虑加劲肋间距、翼缘与腹板面积比、翼缘强度和跨高比等因素的模型,并采用与已有试验结果对比验证的有限元分析方法,详细研究短剪切型消能梁段的力学性能及各因素的影响规律。结果表明,短剪切型消能梁段的超强系数和塑性转角分别能达到1.90和0.13,加劲肋间距系数和翼缘宽厚比可分别放宽至40和10√235/f_y。另外,增大翼腹比可有效提高短剪切型消能梁段腹板受剪屈服后的承载力,但改变翼缘强度和跨高比对其性能无明显影响。     

设置横向加劲肋的正六边形孔蜂窝钢梁滞回性能研究

为避免蜂窝构件腹板局部屈曲造成结构失效问题,设置横向加劲肋对正六边形孔蜂窝钢梁滞回性能影响应重点研究。该文采用试验和有限元分析方法,研究在往复荷载作用下蜂窝钢梁的破坏模式、局部稳定和滞回性能。试验试件为2根孔间墩板均设置横向加劲肋且开孔率相同但腹板高厚比不同的蜂窝钢梁,并与参数相同的2根无加劲肋蜂窝钢梁相对比。结果表明,在低周往复荷载作用下,孔间墩板均设置横向加劲肋的试件,墩板受到横向加劲肋平面外约束从而减小腹板局部屈曲的影响,破坏主要发生在孔角位置,与无加劲肋的蜂窝钢梁试件相比,设置横向加劲肋试件的滞回性能明显提高。通过分析可知,横向加劲肋布置位置不同,蜂窝梁的破坏形态发生改变,对其滞回性能有较大影响,合理的加劲肋布置位置可有效提高蜂窝钢梁的滞回性能。     

除尘器壳体双肢组合截面立柱轴压稳定性研究

除尘器壳体围护结构中的立柱因需要支承顶部较宽截面的箱形梁以及承担较大的轴力而设计成双肢H型钢组合截面。利用非线性有限元方法,研究此双肢组合截面柱在考虑初始缺陷情况下承受轴向压力时的稳定性。研究表明,立柱轧制、墙板与立柱焊接产生的残余应力会小幅降低立柱稳定承载力。立柱的失稳形式为柱顶跨段内前翼缘与前腹板组成T形截面整体弯扭失稳与腹板局部失稳同时发生的相关失稳。墙板与两肢间连接墙板作为蒙皮板,为立柱承担部分荷载并约束其侧向变形。连接墙板越靠近前翼缘,立柱的稳定性越好。连接墙板宽度、墙板宽度、墙板角钢加劲肋刚度和节点连接板厚度等因素对立柱稳定性影响较小。仅邻近立柱的墙板和连接墙板增厚可对立柱稳定性有增强作用,远离立柱的墙板壁厚影响较小。立柱稳定系数与H型钢柱翼缘宽厚比的关系不是单调的;立柱绕弱轴弯曲长细比、腹板高厚比的增大会降低立柱稳定性。基于大量非线性有限元计算结果,提出了除尘器壳体中双肢组合截面轴心受压柱稳定承载力的计算建议。     

钢管混凝土柱-波纹腹板H形钢梁栓焊混合加腋节点抗倒塌能力研究

该文基于ABAQUS/Implicit建立了钢管混凝土柱-H形钢梁栓焊混合节点抗连续倒塌数值模型。为提高该类节点的抗倒塌承载力,采用了波纹腹板H形钢梁和下翼缘加腋构造。分析该类节点在竖向荷载作用下的破坏特征和失效机理,并考虑波纹腹板的“折叠效应”对节点抗倒塌能力的影响。研究结果表明,钢管混凝土柱-平腹板H形钢梁节点(J-WB-O)的破坏出现在环板和钢梁连接位置,而钢管混凝土柱-波纹腹板H形钢梁加腋节点(J-CW-AP)的破坏远离环板与钢梁连接位置,延缓了钢梁下翼缘断裂;此外,J-WB-O节点钢梁全截面提供倒塌抗力,而J-CW-AP节点在加载初期波纹腹板几乎不提供倒塌抗力,当下翼缘断裂后波纹腹板开始受力,并且随着裂缝的向上延伸波纹腹板截面依次呈现受拉状态,表现为波纹腹板波纹逐渐拉开的过程即为“折叠效应”,延缓了腹板开裂和局部屈曲。对比普通栓焊混合节点J-WB-O,波纹腹板H形钢梁栓焊混合加腋节点J-CW-AP的极限承载力与延性分别提高了67.2%和62.3%。基于抗力机制分析,给出了钢管混凝土柱-波纹腹板H形钢梁栓焊混合加腋节点抗倒塌承载力简化计算公式。     

穿芯高强螺栓-端板节点方钢管混凝土框架抗震性能数值分析

为研究采用穿芯高强螺栓-端板节点的方钢管混凝土框架的抗震性能,基于一榀两层两跨方钢管混凝土框架的拟静力试验研究结果,利用有限元软件ABAQUS对试验试件进行了非线性数值分析。研究框架的破坏机制、延性、耗能能力及节点性能。在峰值荷载前,数值分析结果与试验结果吻合较好。对轴压比、节点端板厚度、加劲肋厚度以及高强螺栓预拉力等因素进行了分析。结果表明,框架滞回曲线饱满,具有良好的延性和耗能能力,节点在加载过程中未产生塑性变形。当框架柱的轴压比较小时,可形成理想的梁铰破坏机制。增大端板厚度和设置梁端加劲肋可提高结构的刚度与承载力,使框架刚度的退化趋于平缓。高强螺栓预拉力对框架性能无显著影响。     

腹板屈曲约束钢连梁抗震性能研究

腹板屈曲约束钢连梁通过在钢连梁腹板两侧设置约束板,保证钢连梁在往复剪切荷载作用下腹板剪切屈服后承载力能够持续强化,相比在腹板上设置加劲肋的传统方式,腹板屈曲约束钢连梁的腹板在接近钢材极限剪应变前不会发生面外屈曲,具有优越的耗能能力。通过5个腹板屈曲约束钢连梁的拟静力试验,研究了不同约束方式对钢连梁抗震性能的影响。试验结果表明:所有试件均实现了剪切屈服及承载力强化,破坏模式主要为翼缘、端板焊缝断裂和约束板弯曲破坏。钢连梁的超强系数平均值为1.38,大于《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010的最低要求1.1,其中采用50 mm厚的钢筋混凝土约束板和25 mm厚的木板约束板的试件的超强系数超过了1.5。通过建立有限元分析模型进行试验对比验证和参数分析,提出了约束板最小厚度的建议取值,可为实际工程设计提供参考。     

偏心轴向荷载作用下薄壁箱梁的约束扭转翘曲应力研究

以薄壁箱梁的约束扭转分析理论为基础,将薄壁箱梁所受偏心轴向荷载作为一种外加双力矩荷载考虑,建立偏心轴向荷载作用下薄壁箱梁约束扭转的双力矩这一广义内力的计算公式。为了便于计算翘曲应力,进一步推导了扭转中心位置及主扇性坐标的实用计算公式。通过对一模型箱梁进行计算,并与按通用有限元软件ANSYS壳单元计算结果进行比较,验证了该文方法和所推导公式的正确性。详细分析箱室高宽比以及悬臂板宽度变化对偏心轴向荷载作用下薄壁箱梁约束扭转翘曲应力的影响。研究结果表明:箱室高宽比及悬臂板宽度对悬臂板端部翘曲应力的影响最大,对腹板与上翼缘、下翼缘交接处翘曲应力的影响相对较小;在偏心轴向分布荷载作用下,悬臂箱梁固定端横截面上控制点处的翘曲应力可达到初等梁应力的12%,不容忽视。     

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。     

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。