外伸端板高强螺栓受拉连接的计算分析

针对国内外关于外伸端板高强螺栓受拉连接的受力分析方法,研究端板刚性、弹塑性、塑性和T形件4种力学计算模型。端板刚性分析中将端板按无弯曲变形的刚性体考虑;弹塑性分析中假定受拉翼缘两侧的两排螺栓承担相同拉力,并考虑端板的部分塑性变形;塑性分析中每个螺栓的受力依赖于其本身的承载力,各排螺栓随拉力的增大依次达到屈服;T形件模型考虑端板的弹塑性变形,将受拉翼缘和螺栓简化为T形连接件。通过例题研究4种计算模型下高强螺栓受拉连接的计算方法,可为工程设计提供参考。     

螺纹孔单边螺栓T形连接节点受拉性能研究(Ⅰ)——试验研究

单边螺栓连接技术广泛应用于钢梁与钢管柱的高强螺栓端板连接。通过试验研究了单边螺栓T形连接节点的拉伸性能,共发现3种破坏模式:T形翼缘完全屈服、T形翼缘屈服伴随螺栓断裂和螺纹破坏。试验结果表明:1)增加T形翼缘的厚度可以提高节点的极限承载力,并增大节点的刚度;2)即使在T形翼缘较薄时,螺纹孔仍可提供足够的锚固力以确保节点不发生螺纹破坏;3)增加螺母并不能提高T形节点的屈服强度,但可以防止翼缘屈服后上下翼缘板完全脱开;4)节点是发生螺纹破坏还是螺杆断裂,取决于螺杆直径与锚固螺纹长度的大小。     

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。     

装配式方钢管柱与H型钢梁连接节点力学性能研究

针对装配式钢结构方钢管柱与H型钢梁采用内套筒-T型连接件实现梁柱连接节点的力学性能开展了深入研究.研究结果表明:内套筒厚度对梁柱连接节点刚度有较大影响,随内套筒厚度增加,节点刚度呈逐渐增大趋势,抗弯承载力明显提高,节点域附近柱端刚度得到提高,但梁柱间的相对转角逐渐减小,梁端T型连接件刚度有所降低;随内套筒长度增加,高强度对拉螺栓对T型件约束能力减弱,抗弯承载力有所降低,T型件翼缘弯曲变形增加,梁柱间的相对转角逐渐增大;高强度对拉螺栓拉力值随内套筒厚度增加逐渐增大,高强度对拉螺栓设计应综合考虑内套筒几何参数影响,避免对拉螺栓产生过大拉力值.研究结果可为装配式钢结构工程应用提供参考.     

一种可恢复功能的装配式钢结构梁柱节点受力机理研究

提出了一种可恢复功能的装配式钢结构梁柱节点,该节点由带悬臂梁段的圆钢管柱、中间工字形梁段、翼缘连接盖板、L形板及高强螺栓群组成。通过控制翼缘连接盖板的厚度、盖板中间两螺栓间距等参数,可调节翼缘连接盖板处的截面刚度;通过翼缘连接盖板的塑性变形进行耗能,确保梁柱等主要构件保持弹性不发生破坏,以实现节点的震后快速修复。通过对6个节点的有限元数值模拟研究,获得了节点的承载能力、破坏模式及螺栓拉力等数据,主要分析了翼缘连接盖板中间两螺栓间距、双翼缘盖板连接形式、翼缘连接盖板厚度和螺栓孔形式等参数对节点力学性能的影响规律。研究表明:通过合理设计相关参数,能够使节点的承载能力满足要求,同时梁柱等主要构件不发生破坏,节点在震后可以实现快速修复。     

钢管柱-钢梁螺纹锚固单边螺栓端板连接受力性能

在钢管柱柱壁和内置H形钢翼缘上设置带有螺纹的螺栓孔,来替代传统梁柱端板连接中高强螺栓的螺母.将高强螺栓直接拧紧在螺纹孔上,可实现钢管柱-钢梁节点的单边连接,简化安装过程.采用有限元方法研究了带有内置H形钢的螺纹锚固单边螺栓端板连接钢管柱-钢梁节点的破坏模式和承载力,并分析了钢管柱柱壁厚度、内置加强H形钢翼缘厚度和高强螺栓直径对节点受力性能的影响.分析结果表明:内置H形钢翼缘板上螺栓孔内的螺纹增大了螺栓孔对高强螺栓的锚固,有效地避免节点发生螺栓拔出破坏;当螺纹所在钢板的厚度大于螺栓直径时,螺纹孔对高强螺栓能提供足够的锚固力,避免发生螺栓拔出破坏;节点破坏模式主要为钢梁端板破坏和高强螺栓破坏.     

端板型装配式钢结构梁柱节点受力机理研究

提出了一种端板型装配式钢结构梁柱节点,其由带悬臂梁段圆钢管柱、普通梁段及两者之间的连接装置组成。通过调整翼缘连接盖板的厚度、中间排螺栓间距等参数,可控制翼缘连接盖板处连接刚度的变化,从而利用翼缘连接盖板的变形进行耗能,确保梁柱等主要构件保持弹性不发生破坏,实现节点的震后快速修复。通过对6个节点的数值模拟研究,获得了节点的承载能力、破坏模式、构件应力及螺栓拉力变化等,分析了悬臂梁段翼缘厚度、悬臂梁段端板与普通梁段端板之间间隙、中间排螺栓间距、翼缘连接盖板厚度和翼缘连接盖板材料等参数对节点关键力学性能的影响规律。分析表明:通过合理设计螺栓及翼缘连接盖板相关参数可保证节点承载能力,确保梁柱等主要构件不发生破坏,实现节点的震后快速修复。     

超大承载力端板连接节点试验研究

在大跨或重载钢结构中,当梁柱之间需要采用螺栓连接时,如果普通构造的端板连接节点和大承载力端板连接节点不能满足承载力要求,则需要采用受拉区布置12颗或16颗螺栓的超大承载力端板连接节点。为研究该类型节点受力性能,进行4个超大承载力端板连接节点足尺试件的单调加载试验,得到各节点试件的弯矩-转角曲线,分析不同螺栓直径、端板厚度和螺栓布置形式下各节点的抗弯承载力、转动刚度和受拉区螺栓拉应变增量分布的特点。结果表明,在试验试件构造条件下超大承载力端板连接节点的弯曲失效模式为端板屈服后螺栓失效,端板厚度对节点承载力影响明显;各螺栓的拉应变增量分布不均匀,角部螺栓对节点抗弯承载力影响较小,建议在设计中移除或仅按抗剪螺栓考虑;建议节点域屈服承载力仍按照现行规范计算,该类节点的等效受拉螺栓数量取为7。     

加劲T形连接件有限元分析

根据T形连接件与端板受拉区的相似性,利用有限元分析软件ANSYS对单向受拉T形件连接节点进行三维非线性有限元分析。给出了T形件连接节点弯矩-转角曲线、节点变形及螺栓撬力分布和变化规律等,并将有限元结果与试验结果进行了全面的比较。研究表明,有限元方法能够很好地分析无加劲和加劲T形件连接的受力性能。工程中常用的加劲肋达不到预想的加劲效果;螺栓撬力的分布和变化规律与端板加劲肋的形状和厚度有密切关系。     

外伸端板加劲肋试验和有限元研究

为研究梁柱外伸端板螺栓连接中端板加劲肋对节点刚度和承载力的影响,对外伸端板加劲肋进行系统分析.给出三角形加劲肋较无限长矩形加劲板受拉强度效率系数的计算公式,并基于端板外伸加劲肋的传力及翼缘内外侧螺栓拉力均衡的考虑提出加劲肋形状和厚度的设计方法.对6个无加劲和3个加劲T形件连接节点进行试验研究,并对多个外伸端板连接节点模型进行有限元分析.研究结果表明,工程中常用加劲肋会过早屈服,起不到理想的加劲效果;推荐方法设计的端板加劲肋能够很好地满足<门式刚架轻型房屋钢结构技术规程>(CECS102:2002)所隐含的加劲肋使端板外伸部分由一边固支三边自由板变为两相邻边固支板的要求.     

钢刚架梁柱连接中柱翼缘板的胶合加强研究

门式刚架钢结构的梁柱节点常常采用螺栓端板连接,由于柱翼缘厚度较端板厚度薄,为避免柱翼缘发生冲切破坏,工程设计中常采用在节点域加厚柱翼缘,厚翼缘和薄翼缘采用对接焊缝连接,这种连接方式存在施工不便和应力集中等缺陷,在此提出一种柱翼缘粘结钢板的加强连接方式,并对这种连接方式进行了详细的有限元分析。     

单边螺栓-T形件连接节点滞回性能试验研究

基于复式钢管混凝土双层钢管的截面特点,设计了单边螺栓-T形件连接节点,并对5个单边螺栓-T形件连接节点和1个穿芯螺栓-T形件连接节点进行了低周往复荷载试验。通过数字散斑相关方法(DSCM)得到了试件的弯矩-转角变化关系曲线。结果表明：试件滞回曲线均呈饱满Z形,节点破坏形态为T形件翼缘屈服后钢梁塑性变形,T形件因不同的加肋方式出现了三种变形特征。除了T形件翼缘厚度较薄且未加肋的试件为部分强度半刚性节点外,其余节点试件均为全强度半刚性节点;加肋T形件节点比无肋试件极限承载力提高了30%,但延性明显降低;对比穿芯螺栓-T形件连接节点,单边螺栓栓-T形件连接节点初始刚度略低、承载力相当,但变形能力明显提高,滞回性能得到改善;往复荷载下单边螺栓-T形件连接节点为拉压交替式工作,受拉螺栓能够得到较强的锚固连接强度,单边螺栓-T形件连接节点在复式钢管混凝土结构中传力可靠,结构整体性较好。     

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。     

螺栓连接胶合木梁柱节点耐火极限的试验研究

通过5根螺栓连接胶合木梁柱节点耐火极限试验,研究螺栓连接胶合木梁柱节点的升温规律和耐火极限,结果表明:常温下螺栓钢填板连接节点的承载力比U形连接件连接节点高,各测点温度随着受火时间的增加而升高且停火后温度下降较慢;测点离木截面表面距离越近,温度越高;距木截面表面距离相同处,螺栓位置温度比节点区域外梁柱截面处温度高;相同类型的胶合木节点,随荷载比增加耐火极限减小;相同荷载比时,U形连接件连接节点耐火极限比螺栓钢填板连接节点稍高。     

欧洲规范EC3高强螺栓等效T形件的有效长度及承载力研究

本文介绍了欧洲规范EC3中关于高强螺栓受拉连接等效T形件的三种破坏模式及等效受拉T形件三种破坏模式下的承载力公式.研究了柱翼缘带有背板加强的T形件的承载力公式,通过与无背板加强T形件的承载力比较得出:柱翼缘受拉螺栓孔位置设置背板能够有效地提高T形件翼缘的抗拉承载力,增大柱翼缘的抗弯能力.最后,研究了端板塑性铰线分布模式以及等效T形件有效长度的取值方法.     

梁柱齐平端板半刚性节点力学性能研究

为研究对齐平端板半刚性节点的力学性能,在试验的基础上,运用有限元软件ANSYS对典型截面半刚性节点进行静力及循环荷载加载分析,并通过改变柱翼缘、连接端板厚度和螺栓排列方式,以及增加节点域加劲肋,研究其对节点所受弯矩与梁柱相对转角曲线(M-θ曲线)的影响。有限元计算结果表明:在静力荷载作用下,M-θ曲线初期以线性关系变化,柱翼缘发生屈服后,节点表现明显的非线性特征;在循环荷载作用下,节点破坏时柱翼缘应力深入节点域发展,导致节点刚度逐渐退化,使得滞回曲线饱满,表明该节点具有较好的抗震特性。参数化分析结果表明:连接端板厚度对节点力学性能影响不大;增加柱翼缘厚度或者增设节点域加劲肋,均能显著提高节点的极限承载能力;适当减小螺栓边距能够有效提高节点的初始转动刚度和抗弯承载力。     

不同排列伸展螺栓端板半刚性节点的三维非线性分析

对钢结构中不同排列的伸展螺栓端板这种半刚性连接节点采用非线性有限元分析 ,对连接中的主要构件 :端板、高强螺栓、梁翼缘、柱翼缘以及连接接触进行三维非线性有限元精细模拟 ,针对不同的尺寸和截面进行比较分析 ,探讨了螺栓端板半刚性连接的受力性能     

美标AISC DG4端板节点计算与国标对比

端板节点是一种钢结构多层建筑中常用的节点,在美国应用较为普遍,在我国应用不多。针对此现象,将国标和美标规范进行了对比。通过对比发现,美国标准对端板节点的研究很完善,AISC DG4和DG16都是对端板节点的设计指导,DG4设计流程适用于风和地震作用下的端板外伸式梁柱节点(即刚接节点),梁柱节点域的计算参见DG13;DG16适用于非地震或风作用时的平端板和外伸端板计算(即半刚接节点)。相比之下,国标规范对端板节点的核算就较为简单,在JGJ 82—2011《钢结构高强度螺栓连接技术规程》(简称《螺栓规程》)和GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》(简称《门刚规范》)中均涉及到了端板节点的计算,但《螺栓规程》中未给出板厚计算方法,仅按构造要求板厚不小于16 mm且不小于螺栓直径;而《门刚规范》未给出螺栓计算方法,仅给出了板厚的计算。可见:两个规范对此类节点的计算都不够完整。为了论证国标规范对螺栓及端板厚度的选取是否合理,也为了判断按照国标规范设计端板节点是否可以作为刚接节点,选取AISC DG4与国标规范进行对比,从基础理论开始,简单论述了美国对于端板节点的研究历史以及美标DG4的计算原理、计算假定,然后以实例的形式按照DG4的设计流程对该实例进行了详细的解答,并与《螺栓规程》《门刚规范》的计算结果对比,分析两国规范的计算原理和结果的不同之处。通过对比发现,两国规范对受拉翼缘受力的计算原理相同,受拉翼缘所承受的拉力由受拉区螺栓承担,对受拉区螺栓的受力计算,两国规范有所差异,但差异不大,不至于影响螺栓规格选取;只是对端板厚度的计算方法差异较大,美标采用屈服线理论,利用了板的塑性抗弯强度,国标规范仍在板的弹性范围内计算,国标计算方法偏于保守。DG4中附录B是端板节点的初步设计表格,通过分析表格内的数据,发现绝大多数情况下,螺栓直径大于端板厚度,尤其是采用50 ksi强度(即345 MPa)板材时,板厚全部小于螺栓直径。国标规范中虽然没有给出一个明确的端板计算标准流程,但是通过构造措施,比如端板厚度不小于螺栓直径,柱翼缘厚度不小于端板厚度,端板外伸部位设置加劲等措施,也可以达到端板的承载力不小于螺栓承载力的要求,满足厚板的条件。通过以上研究对比,美标DG4理论较为清晰,且有实际工程和试验数据支撑,在有抗震要求的情况下,当需要计算端板节点时,若工程师判定国标规范的理论不适用,可按照美标进行计算。如果是非抗震设计,国标中的构造措施已经足够安全。     

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.     

装配式钢结构梁柱-柱法兰连接节点受力机理研究

提出了一种装配式钢结构梁柱-柱法兰连接节点,其主要由带悬臂梁段圆钢管上柱、带法兰圆钢管下柱、普通梁段和之间的连接装置组成。通过改变翼缘连接盖板的厚度、螺栓孔洞形式、螺栓个数等参数,基于损伤控制思想,可很好地控制梁端塑性铰的位置,将耗能集中在翼缘盖板连接处,确保利用连接盖板耗能来保证梁柱等主体构件保持在弹性阶段,利用震后更换耗能连接件实现节点的震后快速恢复功能。主要对5个节点试件进行数值研究分析,通过考虑悬臂梁段与普通梁段间隙、螺栓数量、翼缘连接盖板厚度及螺栓孔洞形式等参数,从而获得节点的承载能力、变形模式及应力变化等规律。研究表明:连接件相关参数的合理设计,能够在确保承载力满足要求的前提下,实现梁柱等主体构件不发生破坏,便于节点震后快速修复。