超大承载力端板连接节点有限元分析和设计方法

超大承载力端板连接节点能够提供比普通构造的端板连接节点和大承载力端板连接节点更大的抗弯承载力,可以应用于大跨或重载钢结构中。由于超大承载力端板连接节点的螺栓拉力分布不均匀、端板受力状态复杂,现有的端板连接节点设计方法不能直接应用。此文建立超大承载力端板连接节点的有限元模型,通过已有试验验证模型的可靠性|利用有限元模型分析单调荷载下超大承载力端板连接节点的受力性能,提出弯矩作用下受拉区端板的屈服线模型和受拉区螺栓承担拉力的分布模型。在所提模型的基础上基于我国规范提出超大承载力端板连接节点的抗弯承载力设计方法。比较所提设计方法得到的节点抗弯承载力设计值与有限元得到的屈服承载力,在我国规范规定的高强度螺栓受拉极限状态条件下所提方法得到的设计结果偏于安全。     

超大承载力端板连接节点抗拉性能及设计方法

超大承载力端板连接节点是一种新型梁柱节点形式,可以应用于大跨或重载钢框架中。在抗震区框架中梁柱节点除承担弯矩之外还可能承担一定的拉力,因此有必要对超大承载力端板连接节点的抗拉性能进行研究。对4个采用不同端板厚度、螺栓直径或螺栓布置形式的超大承载力端板连接节点足尺试件进行了轴拉荷载下的试验研究,记录并分析了各螺栓轴向应变增量分布情况;建立了24个超大承载力端板连接节点的有限元模型并进一步分析了该节点的抗拉性能。基于试验研究和有限元分析的结果得出:在轴拉荷载下端板外伸段靠近梁翼缘中部的螺栓为最不利螺栓,而移除角部螺栓对节点的抗拉性能没有不利影响;提出了该节点受拉时等效受拉螺栓数量的建议计算式,并给出了节点抗拉承载力的设计方法。     

超大承载力端板连接节点螺栓施拧顺序及预拉力松弛研究

超大承载力端板连接节点共布置32颗或24颗螺栓,是一种可以应用于大跨或重载钢结构的新型节点形式。由于该节点形式的螺栓数量明显多于传统构造,节点安装时螺栓的施拧顺序以及施拧后螺栓的预拉力松弛对该节点中螺栓总体预拉力水平的影响比传统节点更为复杂。采用4种不同的施拧顺序对4个足尺超大承载力端板连接节点试件安装过程中螺栓的预拉力进行了分析,监测了施拧完成后65 h内螺栓的预拉力变化。结果表明,相关规范中规定的螺栓施工预拉力要求适用于超大承载力端板连接节点,提出了该节点螺栓施拧顺序的建议以及多螺栓接头中螺栓施工预拉力的确定方法。     

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。     

带填板的端板连接梁拼接节点抗弯性能有限元分析

目前装配式钢梁连接常采用高强螺栓端板连接形式，构件在工厂制作完成，加工精度高；构件运抵施工现场采用高强螺栓完成拼接，安装快捷方便；但在连接端板之间经常存在对接缝隙，工程中常采用填板弥补空隙。但目前相关规范中对于填板的厚度并无规定。为研究填板对于端板连接梁梁拼接节点抗弯刚度及抗弯承载力的影响，采用有限元软件ABAQUS建立了含有填板的端板连接节点实体单元模型，设置了结构各组件间复杂的接触关系，考虑了端板厚度及填板厚度的影响，研究了螺栓杆的拉力传递、中和轴位置的变化、填板的受力情况及端板受拉区的极限受力状态等工作机理。分析结果表明：当钢梁为H400×200×8×13,端板为-400×200×t_p1(t_p1=12～24 mm)时，随着填板厚度的增加，节点的初始抗弯刚度减小，当填板厚度在15 mm以内时，对节点抗弯承载力无明显影响。     

带肋薄壁钢管混凝土框架梁柱端板连接节点试验研究

进行了4个带肋薄壁钢管混凝土梁柱端板连接节点的静力试验。试件的钢管由厚度为1.5 mm或3.0 mm的冷弯薄壁型钢组合而成,高强螺栓端部焊接50 mm长的螺纹钢筋。分析了端板类型、钢管壁厚度对节点破坏模式和连接的弯矩-转角关系特征等的影响,研究节点的承载力、刚度、延性和各组件关键部位的应变分布规律,提出了节点区柱壁加厚...     

工字形钢梁-矩形钢管柱单向螺栓节点抗弯承载力理论计算方法

针对工字形纯钢梁和钢-混凝土组合梁分别与矩形钢管柱和矩形钢管混凝土柱采用单向螺栓(也称单边拧紧螺栓)连接形成的4种节点形式,对其在弯矩作用下的受力机理及破坏模式进行分析,讨论导致节点失效的因素。总结节点在弯矩作用下的9种失效模式,包括：单向螺栓拉断、端板受弯屈服、矩形钢管柱壁翼板受拉屈服、矩形钢管柱壁翼板受压屈服、矩形钢管柱壁腹板受压屈曲、混凝土楼板局部压溃、钢筋屈服、矩形钢管柱内混凝土局部压溃、矩形钢管柱壁腹板受压屈服,进而基于破坏模式给出节点各组件承载力的计算公式。对4种节点在不同破坏模式下的正弯矩承载力和负弯矩承载力进行分析,给出节点承载力计算公式。将节点抗弯承载力的理论计算结果与试验结果进行对比,验证理论计算方法的可靠性。     

贯通高强螺栓梁柱端板连接节点静力受弯试验研究

针对云冈石窟第18窟等比例整体复制需求提出了贯通高强螺栓梁柱端板连接节点的方案,为研究该节点的受弯静力性能,对4个节点试件进行了单向静力加载试验研究,分析了节点构造、螺栓扳手类型、节点域柱加强等因素对端板连接承载力、受弯性能、节点刚度和变形特性的影响。试验结果表明:当方钢管梁柱厚度为2 mm时,采用扭矩扳手拧紧小直径高强螺栓较人工扳手拧紧能提高节点1.3%的抗弯承载力和11.2%的初始刚度,采用嵌套内芯加强节点域能提高节点25.9%的抗弯承载力,内芯与柱嵌套紧密度高时,试件节点的初始刚度提高7.5%;采用嵌套内芯加强节点域的试件较未采用嵌套内芯加强节点域的试件节点域受压区抵抗变形能力提高87.5%;试件采用与柱嵌套紧密度较高的内芯加强节点域,节点域得到有效加强,破坏模式是梁底钢管屈曲;建议采用嵌套内芯加强节点域,同时保障内芯与柱嵌套的紧密度和高强螺栓预紧度。     

波折腹板钢梁柱弱轴半刚性连接性能研究

为研究波折腹板钢梁柱弱轴半刚性连接的性能,采用有限元软件ANSYS建立三维实体有限元模型,对连接进行加载模拟,得到弯矩-转角曲线、最大荷载时的节点区位移和von Mises应力云图、端板及节点附近柱腹板应变和变形,分析连接的受力性能。讨论了梁腹板高度、端板厚度和螺栓直径对弯矩-转角曲线的影响。研究结果表明:与梁受拉翼缘连接处的端板及与节点区域柱上加劲肋附近的腹板变形是梁柱产生相对转动的主要因素;梁腹板高度对连接的初始转动刚度及抗弯承载力有显著的影响;当板厚度与螺栓直径较小时,端板厚度与螺栓直径的变化对节点连接性能有较大的影响;随着外荷载的增加,弯矩-转角曲线由线性特征转为非线性。     

高强螺栓外伸端板连接受力性能分析

分析高强螺栓外伸端板连接中,端板厚度、螺栓直径、节点域加劲肋、端板加劲肋等对高强螺栓拉力分布和承载力的影响.分析结果表明:1)随着外伸端板厚度增加,高强螺栓受到的拉力减小,当端板厚度较薄时,由于板件变形产生的附加撬力使高强螺栓受到的拉力增大,进一步证明了高强螺栓受拉连接中撬力的存在以及对其产生的不利影响;2)外伸端板受...     

Finite element analysis on the static behaviour of wide-type large capacity end-plate connections

Compared to the traditional two-column-bolt layout, the wide-type end-plate connections with four bolts in a row could resist a greater moment. In this paper, a detailed verified finite element model is employed to analyse the static behaviour of six wide-type end-plate connections, where parameters such as the end-plate thickness, bolt layout, extended or flushed end plate and the geometry of the stiffener are covered. The simulation results demonstrate that (1) in the elastic range, the transferred tension force of the bolts far from the beam web is about 0.33～0.67 times that of the closer ones; (2) the shear force in the bolts is tiny; (3) at the ultimate state the bolts located far from the beam flange have a significant contribution to the loading capacity of the connection while it shows little contribution in the elastic state. In addition, a yield-line model of the tension part of the end plate is proposed.     

端板连接高强度螺栓群中和轴位置研究

为研究端板连接中高强度螺栓群的中和轴位置变化,对门式刚架外伸式端板连接进行了试验研究与理论计算.试验采用4种梁截面尺寸,选择端板厚度和端板加劲肋作为研究参数,对12个试件进行了单调加载试验,通过在螺栓杆无螺纹区开槽粘贴应变片测量了端板螺栓力的变化情况.理论计算系建立带弹性支座的连续梁模型模拟端板连接,将模型计算结果与试验结果比较分析,结果表明：加载过程中,螺栓群中和轴逐渐从其形心轴向受压区移动,但不超过受压翼缘内侧螺栓中心线;极限状态下,受拉翼缘和端板可简化为等效T型件.根据理论模型,进行了简单的参数分析,研究了撬力、端板厚度和螺栓排列等对连接性能的影响.最后结合试验结果及理论计算,对现有计算方法进行了评价.     

地震作用下端板连接的特性

试验测试了循环荷载作用下的一组8个足尺的钢梁柱端板连接弯矩。研究的参数有端板厚度、螺钉直径、外伸端板加劲肋、柱加劲肋、齐平/外伸端板的类型。试验结果反映在弯矩能力曲线、转角刚度、转动能力和滞回曲线上。试验结果显示:延伸的端板连接有足够的强度、节点转动刚度、延性和抗震结构中要求的耗能能力。基于试验结果和分析,提出了在钢结构抗震设计中对端板连接弯矩的一些详细要求,为保证在地震作用下端板连接能够提供足够的转动能力和耗能能力,并使最终破坏模式为延性破坏,推荐了三种失效模式和相应的抵抗能力。为考虑端板连接向两侧延伸,本文还提出了一种双线性的运动硬化弯矩-转角(M-R)滞回模型。     

多层钢框架半刚性端板连接的循环荷载试验研究

为研究多层钢框架半刚性梁柱端板连接的抗震性能,对8个不同构造端板连接足尺试件进行了循环荷载试验研究, 分析了端板厚度、螺栓直径、端板外伸加劲肋、柱腹板加劲肋、平齐式和外伸式等因素对节点承载力、转动刚度、极限转动 能力、耗能能力、延性和极限破坏状态的影响。试验结果表明,半刚性梁柱端板连接具有良好的延性和耗能能力,可以应用 于多层抗震钢框架中。根据试验结果及相关分析,提出了多层抗震钢框架中端板连接的标准构造为:两端外伸,设置柱腹 板加劲肋和三角形端板加劲肋,柱翼缘在端板外伸边缘上下各100mm范围内局部加厚,厚度与端板厚度相同。对提高端 板连接节点的抗震性能提出了宜采用大直径螺栓、中等厚度端板的设计建议。本文还在"强节点,弱构件"抗震设计一般原 则的基础上提出了"强连接,弱板件"的端板连接抗震设计概念。     

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。     

方钢管钢骨混凝土柱与钢梁端板螺栓连接节点抗震性能试验研究

为研究方钢管钢骨混凝土柱与钢梁端板螺栓连接节点的抗震性能,进行了5个节点拟静力试验研究,分析了端板厚度、螺栓直径、混凝土强度和轴压比等因素对承载力、弯矩-转角曲线、耗能能力、承载力衰退、刚度退化、延性以及破坏模式的影响。研究结果表明：方钢管钢骨混凝土柱与钢梁端板螺栓连接节点均属于半刚性节点,初始转动刚度随着端板厚度和螺栓直径增大而提高,但节点的极限转动能力随着端板厚度的增大而减小;当承载力由端板或钢梁控制时,其具有良好的转动和耗能能力;试件承载力退化系数在0.8～1.0之间,变化幅度不大,刚度退化相比荷载退化严重;设计中应避免高强螺栓发生脆性破坏。     

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。     

高强度螺栓咬合型连接的受拉试验研究

为研究支吊架用高强度螺栓咬合型连接的破坏机理与受拉承载力,分别进行了单个螺栓咬合型连接和典型连接的抗拉试验及有限元分析。考虑了槽钢和高强度螺栓规格等参数的影响,单个螺栓抗拉试验中共有66个试件,由六家企业提供。试验结果表明,在螺栓拉力作用下槽钢两侧卷边均绕腹板顶部棱线转动,并形成两条塑性铰线;螺栓安装扭矩对受拉承载力无影响。采用门式支架进行典型连接抗拉试验,按槽钢壁厚不同共设计6个试件。通过试验研究发现,角钢连接件对螺栓产生明显的撬力。为研究单个螺栓连接中槽钢塑性铰线长度和典型连接受拉承载力随固定螺栓间距和槽钢规格的变化情况,又对4个试件补充了有限元分析。结果表明：塑性铰线长度仅与槽钢卷边尺寸有关;角钢连接件的撬力作用能够约束卷边的竖向位移,提高卷边屈服荷载。根据试验和有限元分析结果,给出了单个螺栓连接受拉承载力设计值的计算方法,理论计算值与试验结果吻合较好。