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T型件单边高强螺栓连接节点力学性能试验研究及有限元分析

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T型件单边高强螺栓连接节点力学性能试验研究及有限元分析

作者：柴文娟青岛理工大学

学位级别：硕士

在钢结构中,梁柱连接节点是重要的传力机构,可直接影响结构的整体性能。通常,钢结构梁柱连接节点多采用焊接或常规高强螺栓连接,但焊缝容易发生脆断质量难以保障,常规高强度螺栓虽对H型钢梁柱外伸端板连接节点可实现全部装配化,但对封... 详细信息

在钢结构中,梁柱连接节点是重要的传力机构,可直接影响结构的整体性能。通常,钢结构梁柱连接节点多采用焊接或常规高强螺栓连接,但焊缝容易发生脆断质量难以保障,常规高强度螺栓虽对H型钢梁柱外伸端板连接节点可实现全部装配化,但对封闭截面的矩形钢管柱与H型钢梁采用常规高强度螺栓连接时需要开安装手孔后方能实现连接,增加后期施工量。单边高强螺栓具有单侧安装,单侧拧紧,施工便捷等优点,避免常规高强螺栓安装存在的问题。目前国内针对单边高强螺栓连接的受力性能研究非常匮乏,使单边高强螺栓在装配式建筑中的使用推广受到限制。本文将梁柱外伸端板单边高强螺栓连接受拉区简化为T型件,研究了T型件翼缘板的厚度、栓距等T型件尺寸参数、有或无加劲肋对单边高强螺栓T型件连接节点力学性能的影响,并与常规高强螺栓T型件连接节点力学性能进行对比分析。采用试验研究、ANSYS数值模拟两种方式进行分析。研究结果表明:1.单边高强螺栓与常规高强螺栓连接的T型件节点破坏形态不同,破坏时二者翼缘板均发生显著弯曲变形,单边高强螺栓与螺栓孔相互挤压使螺栓孔发生塑性变形,螺栓外套管分肢挤压弯折变形;常规高强螺栓螺杆因拉力作用伸长颈缩拉断。2.由试验和有限元可知,单边高强螺栓T型件连接节点与常规高强螺栓T型件连接节点二者的抗拉承载力基本相同。3.依据有限元数值模拟结果,单边高强螺栓与常规高强螺栓抗拉受力性能存在一定区别,单边高强螺栓因外套管分肢发生挤压剪切发生破坏;常规高强螺栓因螺杆伸长颈缩拉断破坏。4.增加翼缘板厚度及有加劲肋可明显提高单边高强螺栓T型件连接节点抗拉承载力,外荷载相同时,单边高强螺栓抗拉承载力随翼缘板厚度增大减小,撬力作用减弱;增加线距使T型件节点抗拉承载力降低,外荷载相同时,随线距增加螺栓抗拉承载力显著增大,撬力作用增强;T型件其它尺寸参数对单边高强螺栓T型件连接节点力学性能影响较小。

关键词： T型件单边高强螺栓常规高强度螺栓承载力螺栓拉力撬力

钢管束组合剪力墙单边高强螺栓连接节点抗拉拔试验及力学性能分析

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钢管束组合剪力墙单边高强螺栓连接节点抗拉拔试验及力学性能分析

作者：陈群青岛理工大学

学位级别：硕士

近年来,随着建筑行业的飞速发展,国家大力推动钢结构产业供给侧改革,装配式钢结构建筑正经历着迅速发展的历史机遇期,在此背景下提出了一种钢管束式组合剪力墙体系,并在住宅等建筑结构中得以应用。该体系是一种建筑适用性、结构适用性... 详细信息

近年来,随着建筑行业的飞速发展,国家大力推动钢结构产业供给侧改革,装配式钢结构建筑正经历着迅速发展的历史机遇期,在此背景下提出了一种钢管束式组合剪力墙体系,并在住宅等建筑结构中得以应用。该体系是一种建筑适用性、结构适用性和经济适用性良好的结构体系,具有良好的承载力、抗震性能,可以随建筑功能的改变而灵活布置,并且造价较低,是一种合理的建筑结构形式。钢管束剪力墙与H型钢梁的连接是钢管束组合剪力墙体系的关键部位,针对现有钢管束组合剪力墙-梁连接节点可改进之处,本文提出一种新型的钢管束组合剪力墙单边高强螺栓端板连接节点,可以实现装配化施工,在避免了制作工序复杂的同时又避免了焊接连接对节点受力性能带来的不利影响。本文对使用国产单边高强螺栓连接的钢管束组合剪力墙-梁点进行数值模拟分析,对节点的力学性能进行研究。在进行节点有限元分析之前,首先对节点的关键传力部位钢管束单边高强螺栓连接进行单调拉拔试验,共设计了4组试件,研究了端板厚度、钢管束厚度对钢管束单边高强螺栓连接破坏模式、试件承载力、初始抗拉刚度的影响,并与钢管束普通高强螺栓连接的试验结果进行对比;对钢管束单边高强螺栓连接进行有限元建模并且参数化分析,丰富实验数据,推导钢管束单边高强螺栓连接的初始抗拉刚度公式,研究结果如下:(1)钢管束单边高强螺栓连接可实现钢管束与端板的单侧连接与紧固,施工简单、连接可靠,具有较高的承载力和良好的塑性变形能力。(2)试验现象表明:钢管束单边高强螺连接的破坏模式为螺栓孔产生塑性变形,单边高强螺栓外套管分肢产生弯折变形被拔出钢管束,与钢管束普通高强螺栓连接螺栓孔被拉断的破坏模式不同;端板在加载过程中与钢管束逐渐产生分离,对连接刚度的贡献较小,从而对连接的承载力和初始抗拉刚度的影响不明显,增大钢管束厚度可以显著提高试件的承载力和初始刚度。(3)在钢管束与端板连接中,钢管束普通高强螺栓连接的极限承载力和塑性变形能力虽然大于单边高强螺栓连接,但在实际工程中需要预留安装手孔,不仅施工不便,而且不能避免焊接连接对冷弯薄壁型钢管的不利影响。(4)对钢管束单边高强螺栓连接进行有限元分析的数值模拟结果与试验结果吻合良好,验证了建模方法的可靠性;同时通过参数化建模进一步验证了端板厚度和钢管束厚度对连接性能的影响规律。(5)通过组件法推导出钢管束单边高强螺栓连接的初始抗拉刚度公式,理论值与有限元参数化分析结果吻合良好,初始抗拉刚度公式具有较好的可靠性。采用有限软件ABAQUS建立钢管束组合剪力墙单边高强螺栓端板连接节点的有限元模型,通过改变端板厚度、单边高强螺栓直径、局部加强板的设置等节点构造参数,共建立了9个节点有限元模型,对节点抗震性能进行研究,并分析以上构造参数的改变对墙-梁连接节点的影响,研究结果如下:(1)端板厚度对节点的破坏模式、承载力、转动刚度和抗震性能影响不明显,节点最终因钢管束壁鼓曲,单边高强螺栓外套管弯折变形从钢管束混凝土中被拔出导致试件破坏;单边高强螺栓在钢管束混凝土中的滑移现象明显,造成弯矩-转角曲线的捏缩现象。(2)单边高强螺栓的直径变化能够显著影响该节点的破坏模式,当螺栓直径小于20mm时,节点模型最终因为单边高强螺栓被拉断导致破坏,节点为脆性破坏,节点滞回曲线捏缩现象严重,力学性能较差。当螺栓直径大于等于20mm时,节点最终因为单边高强螺栓被拔出导致节点失去承载力,滞回曲线较前者比较饱满,力学性能和变形能力都得到一定的改善。(3)设置局部加强板可以提高节点核心区钢管束混凝土的刚度,进而减小单边高强螺栓的滑移,节点破坏模式为单边高强螺栓的外套管分肢被拉断。相较于未设置局部加强板的节点,该类节点的滞回曲线饱满,节点的变形性能和耗能能力都得到不同程度的提高。

关键词：钢管束组合剪力墙结构单边高强螺栓初始抗拉刚度抗拉拔抗震性能

钢管束组合剪力墙端板节点单边高强螺栓连接性能研究

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钢结构（中英文） 2023年第8期38卷 22-33页

作者：陈群王燕安琦青岛理工大学土木工程学院山东青岛266033

为对钢管束单边高强螺栓连接的极限承载力和破坏模式进行研究,对钢管束单边高强螺栓连接进行单调拉拔试验和有限元数值模拟,分析了端板厚度和钢管束厚度对连接承载力和破坏模式的影响,并基于试验结果和有限元参数化分析结果,推导了钢管... 详细信息

为对钢管束单边高强螺栓连接的极限承载力和破坏模式进行研究,对钢管束单边高强螺栓连接进行单调拉拔试验和有限元数值模拟,分析了端板厚度和钢管束厚度对连接承载力和破坏模式的影响,并基于试验结果和有限元参数化分析结果,推导了钢管束单边高强螺栓连接的初始抗拉刚度理论公式。首先,通过改变钢管束单边高强螺栓连接的端板厚度、钢管束厚度以及螺栓种类共设计制作了5个钢管束单边高强螺栓连接试件进行单调拉拔试验。为使试验结果偏于安全,试件未填充混凝土,即不考虑混凝土的有利作用;其次,对钢管束单边高强螺栓连接进行有限元数值模拟,并将有限元模拟结果与试验结果对照,以验证有限元建模方法的正确性,同时采用相同的建模方法对钢管束单边高强螺栓连接进行参数化分析,进一步探究钢管束厚度和端板厚度变化对钢管束单边高强螺栓连接力学性能的影响;最后根据试验结果和有限元参数化分析结果采用组件法推导出了钢管束单边高强螺栓连接的初始抗拉刚度公式,并将理论数据与有限元模拟结果进行比较,对公式的准确性进行验证。研究结果表明:钢管束单边高强螺栓连接的破坏模式为钢管束鼓曲,螺栓孔产生塑性变形,单边高强螺栓外套管发生弯折导致单边高强螺栓被拔出,与钢管束普通高强螺栓连接螺栓孔被拉断的破坏模式不同;增加钢管束的厚度可以显著提高钢管束单边高强螺栓连接的承载力和初始抗拉刚度;单边高强螺栓连接虽然承载力和塑性变形能力较普通高强螺栓连接低,但在安装时无需预留安装手孔,避免了焊接施工对冷弯薄壁型钢受力性能的不利影响;有限元数值模拟结果与试验结果具有一致性,证明有限元模型建模方法可靠,且参数化分析结果进一步表明了钢管束单边高强螺栓的力学性能主要受钢管束厚度控制,受端板厚度影响较小;通过组件法推导出的钢管束单边高强螺栓连接初始抗拉刚度公式得出的理论刚度与有限元参数分析结果的吻合程度良好,证明钢管束单边高强螺栓初始抗拉刚度公式具有较好的可靠性。

关键词：钢管束单边高强螺栓初始抗拉刚度抗拉拔

矩形钢管柱与H型钢梁单边螺栓连接节点的抗震性能与恢复力模型研究

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建筑结构学报 2020年第5期41卷 168-179页

作者：郏书朔王燕王修军刘秀丽青岛理工大学土木工程学院山东青岛266033

为研究矩形钢管柱与H型钢梁单边螺栓连接节点抗震性能,对5个单边高强螺栓连接节点试件和1个常规高强螺栓连接节点试件进行了拟静力试验,研究了矩形钢管柱与H型钢梁单边螺栓连接节点破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能、刚度退化... 详细信息

为研究矩形钢管柱与H型钢梁单边螺栓连接节点抗震性能,对5个单边高强螺栓连接节点试件和1个常规高强螺栓连接节点试件进行了拟静力试验,研究了矩形钢管柱与H型钢梁单边螺栓连接节点破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能、刚度退化等抗震性能指标,对比了单边高强螺栓与常规高强螺栓连接节点抗震性能的差异性;分析了节点构造参数对单边高强螺栓连接节点抗震性能的影响,根据节点滞回特性和单边高强螺栓受力特点提出了节点恢复力模型。研究结果表明:节点试件的破坏模式中单边高强螺栓均产生滑移现象;节点试件的滞回曲线捏缩严重,滞回曲线呈反S形,且有明显滑移直线段;节点试件初始转动刚度约为常规高强螺栓连接节点的70%,单边高强螺栓滑移使节点具有很大的转动变形能力,节点试件的极限转角为0.06~0.08 rad;节点的受弯承载力与常规高强螺栓连接节点基本一致,单边高强螺栓能够满足节点承载力设计要求;节点试件的等效黏滞阻尼系数为0.15~0.17,等效耗能系数为1.29~1.77,延性系数为1.62~2.26,其耗能和延性性能均低于常规高强螺栓连接节点;通过设置端板加劲肋可有效提高节点试件的抗震性能,设置内隔板对节点试件的抗震性能提高效果不明显;提出的节点恢复力计算模型与节点试件的试验曲线吻合较好。

关键词：矩形钢管柱 H型钢梁单边高强螺栓拟静力试验抗震性能恢复力模型

T型件单边螺栓连接梁柱节点抗震性能试验研究

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西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2022年第5期54卷 665-674页

作者：赵军洋王新武褚怀保孙海粟布欣刘欢欢河南理工大学土木工程学院河南焦作454000 河南省新型土木工程结构国际联合实验室(洛阳理工学院) 河南洛阳471023

为研究T型件单边高强螺栓连接梁柱节点的抗震性能和破坏机理,对4个方钢管柱与H型钢梁单边螺栓T型件连接节点进行了拟静力试验,分析T型件翼缘厚度和在T型件上加三角肋板对此类节点受力性能和破坏模式的影响;详细观察节点试验的全过程和... 详细信息

为研究T型件单边高强螺栓连接梁柱节点的抗震性能和破坏机理,对4个方钢管柱与H型钢梁单边螺栓T型件连接节点进行了拟静力试验,分析T型件翼缘厚度和在T型件上加三角肋板对此类节点受力性能和破坏模式的影响;详细观察节点试验的全过程和破坏特征,分析此类节点的滞回性能、承载能力、延性系数、耗能能力等抗震性能指标.研究发现:T型件加三角肋板对梁柱节点的抗震性能影响较大;T型件翼缘厚度对梁柱节点的抗震性能相对影响较小.T型件单边螺栓连接梁柱节点具有较好的延性及滞回性能,非常适合在地震区域中应用.

关键词：梁柱节点单边高强螺栓 T型件连接抗震性能拟静力试验

矩形钢管柱与H型钢梁单边螺栓连接节点力学性能研究

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矩形钢管柱与H型钢梁单边螺栓连接节点力学性能研究

作者：郏书朔青岛理工大学

学位级别：硕士

钢结构体系因具有自重轻、强度高、抗震性能好、建筑造型美观、施工周期短、功能空间布置灵活、绿色环保可回收等优点而得到广泛推广。在钢框架结构中多采用矩形钢管柱和H型钢梁,其中梁柱连接节点至关重要,直接影响着结构的承载力和抗... 详细信息

钢结构体系因具有自重轻、强度高、抗震性能好、建筑造型美观、施工周期短、功能空间布置灵活、绿色环保可回收等优点而得到广泛推广。在钢框架结构中多采用矩形钢管柱和H型钢梁,其中梁柱连接节点至关重要,直接影响着结构的承载力和抗震性能。现有的矩形钢管柱与H型钢梁连接多采用焊接连接,此类节点强度高、刚度大,但在强震作用下易发生脆性断裂破坏,采用装配式螺栓连接节点抗震性能较好,但现有的螺栓连接节点构造较复杂、安装精度要求较高,单边高强螺栓作为一种新型紧固件,可有效应用于矩形钢管柱与H型钢梁的装配式连接中。本文通过试验研究和有限元分析相结合的方法,研究了国产单边高强螺栓(STUCK-BOM)的力学性能和矩形钢管柱与H型钢梁外伸端板单边螺栓连接节点的力学性能。(1)设计制作了3个单边高强螺栓T型件连接节点和2个常规高强螺栓T型件连接节点,进行单向静力加载试验,研究了单边高强螺栓的破坏模式及抗拉极限承载力,对比了单边高强螺栓与常规高强螺栓力学性能的差异,分析了T型件翼缘板尺寸效应对单边高强螺栓受力性能及T型件节点力学性能的影响。研究表明,单边高强螺栓破坏模式与常规高强螺栓不同,单边高强螺栓因其外套管分肢挤压弯折变形导致螺栓被拔出而破坏失效;单边高强螺栓的抗拉极限承载力与常规高强螺栓基本相同;相较于常规高强螺栓T型件节点,单边高强螺栓T型件节点的抗拉承载力和初始刚度与其基本相同,而塑性变形能力较弱;单边高强螺栓的边距和栓距对单边高强螺栓的抗拉极限承载力影响较小,栓距对T型件节点的抗拉承载力影响较小,而边距对T型件节点的抗拉承载力有一定影响。(2)设计制作了5个单边高强螺栓连接节点试件和1个常规高强螺栓连接节点试件,进行了拟静力加载试验,研究了矩形钢管柱与H型钢梁单边螺栓连接节点破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能、刚度退化等抗震性能指标;对比了单边高强螺栓与常规高强螺栓连接节点抗震性能的差异性;分析了节点构造参数对单边高强螺栓连接节点抗震性能的影响;根据节点滞回特性和单边高强螺栓受力特点提出了节点恢复力模型。研究结果表明:(1)节点试件的破坏模式中单边高强螺栓均产生“滑移”现象。(2)节点试件的滞回曲线“捏缩”严重,滞回曲线呈“反S型”且有明显滑移直线段。(3)节点试件初始转动刚度约为常规高强螺栓连接节点的70%,单边高强螺栓滑移使节点具有很大的转动变形能力,节点试件的极限转角为0.06.08rad。(4)节点的抗弯承载力与常规高强螺栓连接节点基本一致,单边高强螺栓能够满足节点承载力设计要求。(5)节点试件的等效粘滞阻尼系数0.15.17,等效耗能系数E=1.29.77,延性系数1.81.26,其耗能和延性性能均低于常规高强螺栓连接节点。(6)通过设置端板加劲肋可有效提高节点试件的抗震性能,设置内隔板对节点试件的抗震性能提高效果不明显。(7)提出的节点恢复力计算模型与节点试件的试验曲线吻合较好。(3)采用ABAQUS有限元分析软件建立节点试件的有限元模型,通过将单边高强螺栓复杂的构造和接触问题进行适当的简化,建立单边高强螺栓有限元模型。通过有限元模拟,研究了矩形钢管柱与H型钢梁外伸端板单边螺栓连接节点在单调静力荷载作用下的抗弯性能。研究结果表明:(1)节点有限元模拟结果中,单边高强螺栓及节点的破坏模式、节点的抗弯承载力、节点的初始转动刚度等与试验结果取得较好的一致性,交叉验证了试验及有限元模拟结果的准确性。(2)矩形钢管柱与H型钢梁外伸端板单边螺栓连接节点表现出半刚性特性,为典型的半刚性连接节点。

关键词：梁柱节点 T型连接件单边高强螺栓常规高强螺栓抗震性能