梁端翼缘扩大型连接的抗震性能研究

通过试验及数值分析方法研究了钢框架梁端翼缘扩大型连接节点的滞回性能、极限承载力、破坏模式、刚度及强度退化等抗震性能。研究结果表明:梁端翼缘扩大式节点可以将塑性铰转移到梁翼缘扩大端截面以外位置,避免梁端焊缝发生脆性破坏;加强侧板末端截面有明显突变和热影响区影响使钢材变脆应力集中现象严重,制约了节点塑性耗能深入发展;直接扩翼型节点塑性铰中心形成于扩翼圆弧段末端,远离柱翼缘,达到了塑性铰外移的目的;在循环荷载作用下,翼缘及腹板随局部屈曲塑性变形的不断积累,导致试件的强度出现退化;节点构造形式对抗震性能影响显著,直接扩翼型节点的塑性变形和耗能能力较好,推荐在强震区采用。     

梁端翼缘削弱型节点空间钢框架抗震性能试验研究

为研究梁端翼缘削弱型节点钢框架的抗震性能,设计钢框架试验加载装置,进行1∶3缩尺比例的2榀2层1跨梁端翼缘削弱型节点空间钢框架的低周往复荷载试验,研究其受力特点及破坏形态,对模型框架结构的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、承载力退化、塑性耗能能力等抗震性能进行分析。试验结果表明:空间钢框架的8个梁端翼缘削弱型节点塑性铰均外移至圆弧削弱区域,所有节点的梁柱连接焊缝均未出现裂缝,荷载-位移滞回曲线饱满,破坏时结构位移延性系数介于3.05~3.82之间,等效黏滞阻尼系数介于0.34~0.41之间,弹塑性极限位移层间转角介于0.035 5~0.044 5 rad之间。钢框架梁柱连接采用圆弧削弱型节点可使梁端应力平缓过渡,避免梁柱连接焊缝处产生应力集中现象,钢框架塑性内力重分布后对圆弧削弱型节点的耗能性能没有明显影响。圆弧削弱型节点在钢框架中表现出较好的延性性能,提高了钢框架整体结构的抗震性能及塑性耗能能力。     

钢框架加强型梁柱节点子结构的抗冲击性能试验研究

设计了采用FEMA 350过焊孔构造的1个普通栓焊连接和2个加强型（盖板和翼缘加强型）栓焊连接的钢框架梁柱节点子结构试件,对试件进行落锤冲击来模拟结构的动态倒塌过程,考察栓焊节点加强方式对钢框架梁柱节点抗冲击性能的影响。通过试验获得节点试件的破坏形态及其冲击作用和位移时程曲线,分析试件冲击作用和位移时程响应规律以及子结构动态转角和耗能变化趋势。试验结果表明：节点试件的主要破坏形态是显著整体弯曲变形和钢梁上翼缘塑性铰截面附近处受压屈曲,采用FEMA 350标准过焊孔构造的节点试件具有良好的抗冲击转动能力,3个试件的极限转角均达到了FEMA 350规范抗震设计的转角限值（普通栓焊节点为θ=0.054 rad、加强型节点为 θ=0.070 rad）要求;改进后的盖板加强型和翼缘加强型节点试件的抗冲击能力均得到显著提高,优于普通栓焊节点。通过分析冲击过程中试件截面内力发展规律可知,由于节点过早破坏,限制了悬链线效应的形成,所有试件最终还处于塑性受弯向悬链线发展阶段。     

扩翼式连接钢框架抗震性能试验研究

为了深入研究扩翼式连接钢框架的抗震性能,设计制作了一榀1∶2缩尺比例的两层扩翼式连接钢框架,采用试验和有限元分析方法研究了扩翼式连接钢框架在低周往复水平荷载作用下的荷载-位移滞回性能、刚度及强度退化、塑性铰变形能力、耗能以及破坏模式等抗震性能。研究结果表明,扩翼式连接钢框架在低周往复水平荷载作用下,塑性铰自梁柱连接焊缝位置移出,塑性铰中心在扩翼段变截面以外位置形成,达到保护梁端连接焊缝防止发生脆性断裂的延性设计目标;扩翼式连接钢框架的荷载-位移滞回曲线表现出较好的塑性变形和耗能能力;进入屈服后随荷载增加受二阶效应影响结构的强度退化呈加快趋势;梁端翼缘截面扩大后,梁端承载力相应提高,但节点域刚度有所降低,设计中应采取构造措施对节点域进行补强,避免出现"强梁弱柱"现象。     

腋板加强型节点钢框架抗震性能试验研究

为研究腋板加强型节点空间钢框架抗震性能,对1∶3缩尺腋板加强型节点空间钢框架子结构进行拟静力试验,研究荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、抗侧刚度、层间位移角、承载力退化、塑性耗能等抗震性能。试验结果表明：南、北两榀钢框架滞回曲线饱满对称,骨架曲线呈S型,层间位移角在4.29%~5.99%之间;试验过程中8个腋板加强型梁柱节点连接焊缝均未出现开裂,梁端翼缘及腹板塑性变形显著;腋板加强型节点钢框架在循环往复荷载作用下表现出良好的耗能能力,整体结构耗能较为充分;在等幅荷载作用下,南、北两榀钢框架承载力退化系数呈缓慢增长趋势,结构空间协同工作效应在一定程度上提高了钢框架承载能力。     

梁端翼缘扩翼型节点抗震性能分析

针对梁端翼缘扩翼型节点抗震性能,在试验研究基础上通过建立有限元分析模型衍生设计了2组16个试件,采用Ansys有限元分析方法深入探讨了梁端翼缘扩翼型节点的扩大宽度、扩大长度等参数对节点极限荷载、延性性能等抗震性能影响。根据试验及有限元模拟的试件破坏结果,对容易导致节点断裂发生的薄弱环节的开裂可能性进行了评估,通过引入等效塑性应变指数,从理论上分析了梁端翼缘扩翼型节点的断裂机理。介绍了梁端翼缘扩翼型节点扩翼参数的设计方法。     

钢框架加强型节点抗震性能试验研究及有限元分析

为探讨加强板构造形式对节点抗震性能的影响,针对盖板、翼缘过渡板、腋板以及肋板等4种不同构造形式加强型节点进行试验及有限元分析,对其承载力、荷载-位移滞回性能、塑性变形能力、耗能、破坏形态等进行研究。结果表明:在低周循环荷载作用下,4种不同构造形式的节点试件均形成塑性铰并远离梁柱连接焊缝位置,塑性铰处的梁翼缘和腹板均产生较大塑性变形,耗能效果明显,达到塑性铰外移设计要求,梁柱节点焊缝没有出现脆性破坏。加强板的构造形式对节点承载力、延性及耗能能力有较大的影响,腋板及肋板加强节点试件的承载力高于盖板和翼缘过渡板加强型节点,而后两种节点的延性和耗能能力大于前两种节点。设计中应综合考虑加强板构造形式对节点抗震性能影响。综合比较试验及有限元分析结果可知,翼缘过渡板、腋板加强型节点具有较高的承载力以及较好的延性和耗能能力,建议在高烈度抗震设防区使用。     

梁柱“上焊下栓”节点受力性能

为研究"上焊下栓"节点梁塑性铰与拼接区滑移出现的先后顺序及拼接区耗能所占的比例,通过改变翼缘拼接板的截面面积,设计了2组试件,利用有限元软件ABAQUS对其进行了单调荷载和低周往复荷载作用下的有限元分析;同时以梁柱"上焊下栓"节点的BASE试件为例,对比分析了梁柱"上焊下栓"节点BASE试件与相同参数的"互"字形节点和传统栓焊混合节点的破坏模式、滞回曲线以及骨架曲线。结果表明:当翼缘拼接板为翼缘截面面积的2/3倍～1.0倍时,拼接区的板件变形和滑移能得到充分发展;当翼缘拼接板为翼缘截面面积的1.0倍～4/3倍时,梁拼接区的板件变形和滑移未能得到充分发展;在低周往复荷载作用下,2组"上焊下栓"节点的破坏模式相似,当梁端位移角约为0.024 rad时,梁下翼缘与拼接板开始出现滑移;当梁端位移角约为0.036 rad时,塑性铰出现在悬臂梁上;在整个加载过程中,梁拼接区的板件变形和滑移的耗能占总耗能的39%～45%;梁柱"上焊下栓"节点BASE试件的延性、耗能性能以及变形能力低于相同参数的"互"字形节点,但略高于传统栓焊混合节点。     

翼缘削弱型节点空间钢框架在低周反复荷载

为研究翼缘削弱型节点空间钢框架在低周反复荷载作用下的抗震性能,采用有限元分析软件ABAQUS对普通节点和翼缘削弱型节点的空间钢框架模型进行有限元模拟,对2种钢框架模型的破坏形式、承载力、滞回性能、耗能能力、强度及刚度退化性能等进行了对比分析。结果表明:翼缘削弱型节点可使梁端塑性铰外移至梁端翼缘削弱处,避免梁端焊缝处应力集中导致脆性破坏;翼缘削弱型节点等效粘滞阻尼系数与普通节点空间钢框架相比有明显的提高,进入屈服阶段后由于应力重分布,其刚度及承载力退化速度较普通节点空间钢框架慢,翼缘削弱型节点钢框架具有梁铰延性破坏机制,抗震性能较好。     

肋板加强型节点空间钢框架抗震性能研究

针对肋板加强型节点和普通节点空间钢框架的抗震性能,采用ANSYS有限元分析软件对比分析了两种钢框架的破坏形态、承载力、滞回性能、变形能力、耗能能力以及退化性能.研究结果表明,肋板加强型节点可使梁端塑性铰外移至远离梁柱连接焊缝的梁上,避免梁端应力集中导致焊缝发生脆性破坏;肋板加强节点钢框架的极限承载力、等效黏滞阻尼系数与普通钢框架相比有明显提高,进入屈服阶段后由于应力重分布及肋板参与耗能,其刚度及承载力退化速度明显低于普通节点钢框架,肋板加强节点钢框架具有明确的梁铰延性破坏机制,抗震性能更好,推荐在强震区使用.     

足尺钢梁柱刚性连接节点抗震性能试验研究

通过10个不同连接构造的足尺钢梁柱刚性连接节点的试验,研究了标准栓焊连接节点、标准全焊连接节点、梁翼缘加强型节点、梁翼缘局部削弱型节点以及梁贯通型节点在梁端往复荷载作用下的破坏过程、破坏形态、承载力和塑性变形能力等抗震性能。试验结果表明,梁翼缘局部切割削弱和梁翼缘加盖板节点的梁的极限塑性转角大于0.03,梁贯通型节点、梁下翼缘加腋节点和梁翼缘打孔节点的梁的极限塑性转角大于0.02,其余类型节点的都小于0.02。对实测的梁翼缘和腹板的应力分布的分析表明,梁根部翼缘处于三向应力状态,是其脆性断裂破坏的原因之一。建议钢框架梁柱连接优先采用梁翼缘加梯形盖板节点和梁下翼缘加腋节点。     

波纹腹板H型钢梁柱铰接节点静力性能试验研究及有限元分析

通过对2个波纹腹板H型钢梁柱铰接节点的静力试验,分析了波纹腹板H型钢梁柱铰接节点的静力承载能力,研究了波纹腹板H型钢梁柱铰接节点各截面的内力分布,并将试验结果与传统H型钢梁柱铰接节点设计公式的计算结果进行了对比,验证了传统H型钢梁柱铰接节点设计公式的可靠性。采用有限元分析软件ABAQUS对节点进行了有限元分析,将有限元分析得到的荷载-位移曲线与试验结果进行对比,验证了有限元分析的合理性。采用ABAQUS对节点进行了参数分析,研究了端板厚度、梁连接板、柱连接板厚度与波纹断点对节点承载力的影响。研究结果表明：现有的H型钢梁柱铰接节点实用设计公式在设计波纹腹板H型钢梁柱铰接节点时安全可靠;常用的端板和连接板构造方式适用于波纹腹板H型钢梁柱铰接节点;腹板与端板焊接处波纹的断点不影响波纹腹板H型钢梁柱铰接节点的力学性能。     

钢框架梁-柱节点的塑性铰外移研究

基于对梁-柱刚性连接节点的震害的大量调查研究,总结了若干用于迫使塑性铰离开柱面的节点形式。介绍了一种新型整体式加腋节点,该节点通过增加梁端截面有效高度,提高加腋区内抗弯承载能力,改变加腋长度及坡度,使得塑性铰出现在腋区以外,节点构造简洁,节点焊接质量容易得到保证,节点整体的设计抗弯能力大,具有良好的塑性转动能力,为钢结构梁-柱的节点设计提供有益参考。     

梁端翼缘扩大型钢框架梁柱节点的受力性能分析

根据钢框架强柱弱梁的抗震设计原则,按照使梁上塑性铰位置远离节点区的设计思路,对梁端翼缘扩大型钢框架梁柱节点进行了非线性有限元分析,并对该节点的基本受力性能和塑性区分布做了详细探讨,给出了侧板长度及宽度等尺寸参数的影响规律和有效取值范围。结果表明梁端翼缘扩大型钢框架节点具有理论上的合理性和实用上的可行性,可达到塑性铰外移和增加使用功能的目的。     

A study to enhance the deformation capacity of beam-to-column connections using high strength steel having high yield ratio

As structures are becoming bigger and more having long span, construction materials are also becoming higher performance materials. In response to this trend, 800MPa tensile strength class structural steel was developed in South Korea. Currently, many experiments applied high strength steel about flexural members, compression members, and connections are continuously conducted, but the design guideline for high strength steel has yet to be established. From among these, it is more difficult that planning of ductile beam-to-column connections because of the high yield ratio, which is the characteristic of high strength steel and related studies are not sufficient. Therefore, This study proposed connection details for the purpose of enhancing the deformation capacity of high strength steel beam-to-column connections and it conducted full-scale experiment and FEM analysis using the connection detail as the variable. As the connection detail, it applied non-scallop welding method and improved horizontal stiffener construction method. Especially, it suggests the stress balance design formula for the improved horizontal stiffener construction method, in order to improve the efficacy of strain distribution. Through the results of experiment and FEM analysis, it was analyzed structural performance of connections with proposed details, and it suggested the design scope of the improved horizontal stiffener.     

LY315钢材带悬臂梁段拼接梁柱节点抗震性能试验研究

带悬臂梁段拼接梁柱节点是我国GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》推荐的节点设计形式之一,为研究LY315钢材带悬臂梁段拼接梁柱节点的抗震性能,开展了高强度螺栓抗滑移系数试验及梁柱节点循环加载试验,试验获得了该类型节点的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线及延性系数等,探讨了悬臂梁段长度对该类型节点抗震性能的影响。试验研究结果表明：对于LY315钢材,采用钢丝刷清除浮锈的表面处理方式所得螺栓抗滑移系数为0.29;以此钢材制作的带悬臂梁段拼接梁柱节点试件滞回曲线饱满,具有良好的耗能能力;3个试件在加载终止时转角均超过0.04rad且试件的延性系数均大于4,表明该类型节点具有良好的变形性能及延性;随着悬臂梁段长度的增加,试件的累积耗能能力有所降低,这是螺栓的滑移耗能造成的;随着悬臂梁段长度的增加,节点的承载力则略有提高,而悬臂梁段长度的变化对试件的延性及刚度退化影响不大。     

Experimental and numerical analysis of beam to column joints in steel structures

The behaviors such as extreme non-elastic response, constant changes in roughness and resistance, as well as formability under extreme loads such as earthquakes are the primary challenges in the modeling of beam-to-column connections. In this research, two modeling methods including mechanical and neural network methods have been presented in order to model the complex hysteresis behavior of beam-to-column connections with flange plate. First, the component-based mechanical model will be introduced in which every source of transformation has been shown only with geometrical and material properties. This is followed by the investigation of a neural network method for direct extraction of information out of experimental data. For the validation of behavioral curves as well as training of the neural network, the experiments were carried out on samples with real dimensions of beam-to-column connections with flange plate in the laboratory. At the end, the combinational modeling framework is presented. The comparisons reveal that the combinational modeling is able to display the complex narrowed hysteresis behavior of the beam-to-column connections with flange plate. This model has also been successfully employed for the prediction of the behavior of a newly designed connection.     

Analytical study of beam-to-HSS/CFT column connections by trapezoidal external stiffener

Use of continuity plates in box columns is approved by design codes. To meet seismic parameters, considering performance problems and lack of confidence in the quality of the connections due to closed section, unsuitable vision and extreme welding and cutting at junction, continuity plates have been removed from the column and replaced by external stiffener. In this study, behavior of box beam-to-column connections with/without continuity plates, with external stiffener in two states with/without concrete (CFT/HSS) inside the column and finally reinforced connection by horizontal bar mats in CFT (Concrete Filled Tube) column have been studied by finite elements modeling and nonlinear analysis under monotonic and cyclic loadings. The results have shown that the use of external stiffener rather than continuity plate causes to increase 1% in rigidity and in turn 46.09% in strength. On the other hand, the use of filler concrete in column has caused to improve seismic behavior of the connection. When this connection containing the combination of external stiffeners and horizontal bar mats in CFT column is taken place, rigidity and strength parameters will be increased 3.01% and 108.8% respectively, compared to connections with no horizontal bar mats. In addition, the proposed connection has best performance in terms of both stress distribution and energy absorption and meets rigid connection criterion as well.     

单层轻钢厂房刚架梁和节点域的加固设计与分析

单层门式刚架轻钢厂房因使用功能改变，会出现构件的强度、刚度或节点承载性能不满足设计要求，需要对其进行加固。本文结合对某制药厂房的加固。采用有限元软件ANSYS对刚架梁和节点域加固方法进行分析计算。分析表明。采用加大原结构构件截面。设置斜向的加劲肋及加腋加固节点域可有效降低构件应力。由于加固前后的节点的受力状态有所不同，故在补强节点域和刚架梁的同时应验算刚架柱的强度。