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全裝配大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力-高強(qiáng)度螺栓連接節(jié)點(diǎn)性能研究

全裝配大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力-高強(qiáng)度螺栓連接節(jié)點(diǎn)性能研究

打印 0條評(píng)論來(lái)源:工業(yè)建筑

劉廷勇1,2  張愛(ài)林1  李久林2

1. 北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部

2. 北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司

劉廷勇,張愛(ài)林,李久林.全裝配大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力-高強(qiáng)度螺栓連接節(jié)點(diǎn)性能研究[J].工業(yè)建筑,2024,54( 8):44-53.


摘  要


創(chuàng)新全裝配式大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系是其智能建造的基礎(chǔ),構(gòu)建了預(yù)應(yīng)力-高強(qiáng)度螺栓連接節(jié)點(diǎn),研究了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響規(guī)律。采用ABAQUS有限元軟件建立節(jié)點(diǎn)有限元模型,通過(guò)將試驗(yàn)結(jié)果與節(jié)點(diǎn)抗彎性能數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)模型的準(zhǔn)確性與可靠性。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)54組節(jié)點(diǎn)算例對(duì)影響節(jié)點(diǎn)抗拉/壓性能的各因素開(kāi)展了參數(shù)化分析,提出了節(jié)點(diǎn)抗拉/壓設(shè)計(jì)方法。結(jié)果表明:增加圓盤(pán)厚度可顯著提高節(jié)點(diǎn)的抗拉/壓性能;降低開(kāi)孔角鋼厚度可適當(dāng)提高節(jié)點(diǎn)抗拉屈服荷載,但降低了節(jié)點(diǎn)抗壓極限荷載;節(jié)點(diǎn)抗拉/壓極限荷載均隨開(kāi)孔十字板厚度增加而提高;套筒高度變化對(duì)節(jié)點(diǎn)抗拉/壓性能影響均較小;增加初始預(yù)緊力可提高節(jié)點(diǎn)初始抗拉剛度,但降低了其初始抗壓剛度。


00

引  言


隨著北京夏奧會(huì)、冬奧會(huì)、上海世博會(huì)等大型賽事、活動(dòng)的舉辦,空間結(jié)構(gòu)在我國(guó)有了長(zhǎng)足發(fā)展,建筑和結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)造了多項(xiàng)世界紀(jì)錄,但全裝配大跨度空間結(jié)構(gòu)體系研究仍處于起步階段[1-3]。研發(fā)裝配式大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)是推動(dòng)大跨度空間結(jié)構(gòu)建筑智能建造的基礎(chǔ),因此需要研發(fā)承載能力強(qiáng)、抗彎剛度大及便于快速裝配的新型連接節(jié)點(diǎn)及其全裝配空間鋼結(jié)構(gòu)體系[4]。目前,應(yīng)用于裝配式空間結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)主要有螺栓球節(jié)點(diǎn)、碗式節(jié)點(diǎn)、嵌入式轂節(jié)點(diǎn)、銷(xiāo)軸式節(jié)點(diǎn)、螺栓端板節(jié)點(diǎn)等[5-9]。為揭示各類(lèi)節(jié)點(diǎn)工作原理,相關(guān)學(xué)者對(duì)常用連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能開(kāi)展了系統(tǒng)研究:Lee等[10-11]對(duì)四個(gè)具有不同尺寸的螺栓球節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行抗拉、抗壓、抗彎試驗(yàn)研究,獲得了螺栓球節(jié)點(diǎn)在不同受力狀態(tài)下的承載性能及破壞模式。Ahmadizadeh等[12]對(duì)碗式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了雙軸試驗(yàn)研究,分析了在雙軸受力狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)荷載-位移曲線(xiàn)及破壞模式,結(jié)果表明:節(jié)點(diǎn)變形對(duì)桿件承載能力、結(jié)構(gòu)整體剛度及極限承載力均有顯著影響。Andrase等[13]通過(guò)開(kāi)展端板節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究,提出了端板節(jié)點(diǎn)加固與偏心校正方案,結(jié)果表明:節(jié)點(diǎn)經(jīng)加固與改進(jìn)后可顯著提高結(jié)構(gòu)的屈服荷載與極限承載能力。隨著新型裝配式空間結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn),與之匹配的新型連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究成為熱點(diǎn)。Ma等[14]提出一種新型齒式節(jié)點(diǎn),采用理論分析、數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法開(kāi)展了節(jié)點(diǎn)抗彎性能研究,揭示了節(jié)點(diǎn)受力特征,證明了新型節(jié)點(diǎn)具有較高的抗彎剛度及承載性能。陳偉剛等[15]開(kāi)展了鋁合金板式節(jié)點(diǎn)在剪力與彎矩作用下的節(jié)點(diǎn)靜力性能研究,獲得了鋁合金板式節(jié)點(diǎn)破壞形式及靜力特性,驗(yàn)證了垂直于主受力方向的環(huán)槽鉚釘呈剪切受力狀態(tài),但由于不銹鋼的強(qiáng)度較高,并未出現(xiàn)鉚釘破壞。


目前,對(duì)常用連接節(jié)點(diǎn)靜力性能研究(如抗彎性能、承載性能、破壞模式等)已形成了較成熟的研究體系,但常用連接節(jié)點(diǎn)普遍抗彎剛度低且多用于中小跨度的裝配式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。基于此,已有連接節(jié)點(diǎn)難以滿(mǎn)足新型大跨度裝配式脊桿環(huán)撐索穹頂節(jié)點(diǎn)連接要求[4]。為此,本文提出一種新型連接節(jié)點(diǎn)-預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度螺栓連接節(jié)點(diǎn)。采用ABAQUS有限元軟件建立節(jié)點(diǎn)有限元模型,開(kāi)展了節(jié)點(diǎn)抗彎性能數(shù)值模擬研究,通過(guò)將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證了所建節(jié)點(diǎn)有限元模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析了圓盤(pán)厚度、開(kāi)孔十字板厚度、開(kāi)孔角鋼厚度、套筒高度及初始預(yù)緊力變化對(duì)節(jié)點(diǎn)抗拉/壓性能影響規(guī)律,提出了節(jié)點(diǎn)抗拉/壓設(shè)計(jì)方法,為其工程應(yīng)用提供參考。


01

節(jié)點(diǎn)構(gòu)造


預(yù)應(yīng)力-高強(qiáng)度螺栓連接節(jié)點(diǎn)由開(kāi)孔角鋼部分、開(kāi)孔十字部分及連接裝置三部分組成(圖1),其中開(kāi)孔角鋼部分與開(kāi)孔十字部分通過(guò)高強(qiáng)度螺栓連接,開(kāi)孔角鋼部分通過(guò)預(yù)應(yīng)力筋及錨具與剛性脊桿連接。該新型節(jié)點(diǎn)可用于連接不同截面形式桿件,能夠轉(zhuǎn)換剛性脊桿受力方式,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)工廠(chǎng)化生產(chǎn)。大大降低了現(xiàn)場(chǎng)施工難度,提高施工速度,節(jié)約了人力、物力及財(cái)力。

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圖1 預(yù)應(yīng)力-高強(qiáng)度螺栓連接節(jié)點(diǎn)示意


02

試驗(yàn)簡(jiǎn)介


為研究圓盤(pán)厚度對(duì)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度螺栓連接節(jié)點(diǎn)抗彎性能的影響規(guī)律,開(kāi)展了3組節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究[16](試件編號(hào)為T(mén)-Y-1、T-Y-2、T-Y-3),節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1及圖2。預(yù)應(yīng)力筋選用型號(hào)為1×7-18.9、長(zhǎng)度為1600 mm的鍍鋅鋼絞線(xiàn),其規(guī)定非比例延伸力為352 kN,最小破斷力為434 kN;高強(qiáng)度螺栓選用強(qiáng)度等級(jí)為S10.9的M20高強(qiáng)度螺栓。


表 1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)尺寸    mm

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圖2 試件詳圖  mm


試驗(yàn)加載裝置如圖3所示,水平千斤頂一端通過(guò)加載連接裝置與試件加載端鉸接連接,另一端與自平衡反力架鉸接連接;通過(guò)12個(gè)S10.9的M40高強(qiáng)度螺栓將試件錨固端錨固在自平衡反力架水平方向上。


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圖3 試驗(yàn)加載裝置


試驗(yàn)采用位移控制方式進(jìn)行單調(diào)加載,加載制度參照J(rèn)GJ/T 101—2015《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》[17],當(dāng)節(jié)點(diǎn)承載力下降到極限承載力的85%以下或節(jié)點(diǎn)發(fā)生較大塑性變形時(shí)加載停止。取鍍鋅鋼絞線(xiàn)規(guī)定非比例延伸力的40%作為初始預(yù)應(yīng)力值,并通過(guò)YCD22-500/50張拉錨固設(shè)備施加初始預(yù)緊力,S10.9 M20高強(qiáng)度螺栓的預(yù)緊力為155 kN,通過(guò)扭矩扳手施加。


采用參考文獻(xiàn)[14]中對(duì)節(jié)點(diǎn)彎矩-曲線(xiàn)特征值的定義,確定本節(jié)點(diǎn)初始抗彎剛度(Sj.ini)、屈服荷載(Minf)及極限荷載(Msup)等值(圖4),其中初始抗彎剛度值(Sj.ini)取節(jié)點(diǎn)加載初期的曲線(xiàn)切線(xiàn)剛度值。


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Sj.p-l 表示極限荷載對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)抗彎剛度;KR表示極限荷載與屈服荷載差值。

圖4 節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)特征值示意


試驗(yàn)所得節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)見(jiàn)圖5,曲線(xiàn)特征值見(jiàn)表2。試驗(yàn)結(jié)果表明:1)圓盤(pán)厚度對(duì)新型連接節(jié)點(diǎn)抗彎性能具有顯著影響,隨圓盤(pán)厚度增加,節(jié)點(diǎn)初始抗彎剛度(Sj.ini)、屈服荷載(Minf)及極限荷載(Msup)均提高;2)節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)呈現(xiàn)明顯的非線(xiàn)性特征,節(jié)點(diǎn)具有較大變形能力。


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圖5 不同圓盤(pán)厚度節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)


表2 不同圓盤(pán)厚度節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)特征值

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03

有限元模型的建立與驗(yàn)證


3.1 模型建立

采用ABAQUS有限元軟件建立了新型連接節(jié)點(diǎn)有限元模型,見(jiàn)圖6,模型中關(guān)鍵參數(shù)及構(gòu)造細(xì)節(jié)均與試驗(yàn)試件相同。預(yù)應(yīng)力筋選用桁架單元(T3D2)建模,加載連接裝置及錨固板采用剛體單元(R3D4)建模,節(jié)點(diǎn)其余部分均采用實(shí)體單元(C3D8R)建模。

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圖6 節(jié)點(diǎn)有限元模型


考慮節(jié)點(diǎn)材料與幾何非線(xiàn)性影響,高強(qiáng)度螺栓選用三折線(xiàn)本構(gòu)模型、預(yù)應(yīng)力筋選用線(xiàn)性本構(gòu)模型,節(jié)點(diǎn)其余部分選用雙折線(xiàn)本構(gòu)模型,見(jiàn)圖7。各本構(gòu)模型中關(guān)鍵參數(shù)取值見(jiàn)參考文獻(xiàn)[16]。


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圖7 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)


節(jié)點(diǎn)有限元模型中采用面-面接觸與Tie接觸兩種接觸關(guān)系。面-面接觸用于模擬開(kāi)孔角鋼與開(kāi)孔十字板、螺帽與開(kāi)孔角鋼、螺桿與孔壁及外套筒與剛性脊桿的接觸。節(jié)點(diǎn)其余接觸均選用Tie接觸。節(jié)點(diǎn)錨固端采用固接約束;加載端僅釋放沿X軸的水平自由度與繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。


經(jīng)多次優(yōu)化計(jì)算確定模型中各單元尺寸,開(kāi)孔十字部分與開(kāi)孔角鋼部分網(wǎng)格種子大小設(shè)為7 mm,高強(qiáng)度螺栓網(wǎng)格種子大小設(shè)為5.5 mm,剛性脊桿網(wǎng)格種子大小設(shè)為20 mm,模型中其余組成部分的網(wǎng)格種子大小均設(shè)為10 mm。此外,采用ABAQUS自帶的Bolt Load命令施加高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力,通過(guò)降溫法施加預(yù)應(yīng)力筋的初始預(yù)緊力。


3.2 模型驗(yàn)證


圖8為試驗(yàn)與數(shù)值模擬所得節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)對(duì)比,表3為試驗(yàn)與數(shù)值模擬所得節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)特征值。由圖8及表3可知:1)數(shù)值模擬與試驗(yàn)所得節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)具有相同變化規(guī)律,在加載前期呈線(xiàn)性變化,加載后期表現(xiàn)出明顯的非線(xiàn)性特征;2)數(shù)值模擬與試驗(yàn)所得曲線(xiàn)特征值具有較高吻合度,二者初始抗彎剛度最大誤差為3.9%,屈服荷載最大誤差為3.2%,塑性極限荷載最大誤差為6.9%。綜上可知:數(shù)值模擬結(jié)果具有較高準(zhǔn)確性,驗(yàn)證了所建節(jié)點(diǎn)模型的精確性與有效性,證明了所建節(jié)點(diǎn)模型能夠精確模擬節(jié)點(diǎn)受力過(guò)程,為參數(shù)化研究節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能奠定基礎(chǔ)。此外,由于在建模時(shí)將開(kāi)孔十字板與圓盤(pán)設(shè)置為整體,且計(jì)算分析時(shí)考慮了單元大變形,故導(dǎo)致數(shù)值模擬所得節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)在加載后期未出現(xiàn)下降段。

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圖8 彎矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)對(duì)比


表3 彎矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)特征值對(duì)比

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04

節(jié)點(diǎn)抗拉/壓性能數(shù)值模擬研究


基于驗(yàn)證的節(jié)點(diǎn)有限元模型,通過(guò)僅改變節(jié)點(diǎn)加載方向,進(jìn)一步研究了圓盤(pán)厚度、開(kāi)孔十字板厚度、開(kāi)孔角鋼厚度、套筒高度及初始預(yù)緊力變化對(duì)節(jié)點(diǎn)抗拉/壓性能的影響規(guī)律。


4.1 算例設(shè)計(jì)


設(shè)計(jì)54組節(jié)點(diǎn)模型算例(表4)開(kāi)展節(jié)點(diǎn)抗拉/壓性能數(shù)值模擬研究。表中初始預(yù)緊力分別取20%、40%及60%的預(yù)應(yīng)力筋規(guī)定非比例延伸力。


表4 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)

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4.2 節(jié)點(diǎn)抗拉性能研究


4.2.1 受拉荷載-位移曲線(xiàn)研究


以初始預(yù)緊力取40%預(yù)應(yīng)力筋非比例延伸力為例,由圓盤(pán)厚度,開(kāi)孔十字板厚度,開(kāi)孔角鋼厚度及套筒高度不同所得節(jié)點(diǎn)受拉荷載-位移曲線(xiàn)見(jiàn)圖9。

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圖9 節(jié)點(diǎn)受拉荷載-位移曲線(xiàn)


由圖9可知:1)除試件T-Y-1外,其余各試件所得受拉荷載-位移曲線(xiàn)均呈7折線(xiàn)變化,即彈性階段Ⅰ,折線(xiàn)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)初始預(yù)緊力值;彈性階段Ⅱ,折線(xiàn)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)高強(qiáng)度螺栓摩擦阻力值;螺栓滑移階段Ⅲ;彈性階段Ⅳ,折線(xiàn)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)屈服荷載;屈服階段Ⅴ;強(qiáng)化階段Ⅵ及破壞階段Ⅶ;2)試件T-Y-1受拉荷載-位移曲線(xiàn)呈6折線(xiàn)變化,原因在于其圓盤(pán)厚度較小導(dǎo)致加載后期節(jié)點(diǎn)發(fā)生較大塑性變形,預(yù)應(yīng)力筋未達(dá)到受拉屈服,故曲線(xiàn)缺少破壞階段Ⅶ;3)圓盤(pán)厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)抗拉性能具有顯著影響,隨圓盤(pán)厚度增加,節(jié)點(diǎn)屈服荷載及極限荷載均顯著提高,但當(dāng)圓盤(pán)厚度td≥20 mm后,其對(duì)節(jié)點(diǎn)抗拉性能影響逐漸減小;4)開(kāi)孔角鋼厚度僅在屈服階段對(duì)節(jié)點(diǎn)抗拉性能影響顯著,隨開(kāi)孔角鋼厚度降低節(jié)點(diǎn)屈服荷載逐漸提高;5)開(kāi)孔十字板厚度僅在強(qiáng)化階段對(duì)節(jié)點(diǎn)抗拉性能有影響,隨開(kāi)孔十字板厚度增加節(jié)點(diǎn)極限荷載略提高;6)套筒高度對(duì)節(jié)點(diǎn)抗拉性能影響較小,可忽略。


由節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)可知:在未施加外荷載時(shí),剛性脊桿在初始預(yù)緊力作用下處于受壓狀態(tài),隨軸拉力增加剛性脊桿逐漸由受壓狀態(tài)向零應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變。加載前期,在軸拉力作用下剛性脊桿釋放部分內(nèi)力且釋放的內(nèi)力方向與施加的軸拉力方向一致,因此在二者共同作用下節(jié)點(diǎn)曲線(xiàn)初始斜率較大,出現(xiàn)彈性階段Ⅰ。當(dāng)施加的軸拉力增大到初始預(yù)緊力設(shè)計(jì)值時(shí),剛性脊桿不再釋放內(nèi)力,但節(jié)點(diǎn)仍處于彈性階段,故節(jié)點(diǎn)曲線(xiàn)仍呈線(xiàn)性變化,但曲線(xiàn)斜率降低,出現(xiàn)彈性階段Ⅱ。


由于初始預(yù)緊力對(duì)各試件受拉荷載-位移曲線(xiàn)具有相同影響規(guī)律,本文僅以試件T-Y-3為例進(jìn)行說(shuō)明。圖10表示初始預(yù)緊力不同時(shí)試件T-Y-3所得受拉荷載-位移曲線(xiàn),由圖可知:1)初始預(yù)緊力不同對(duì)節(jié)點(diǎn)屈服荷載、極限荷載影響均較小,但隨初始預(yù)緊力提高,節(jié)點(diǎn)受拉變形能力顯著降低;2)隨初始預(yù)緊力增加節(jié)點(diǎn)受拉荷載-位移曲線(xiàn)在加載前期的雙彈性段逐漸減弱,當(dāng)初始預(yù)緊力達(dá)到60%預(yù)應(yīng)力筋規(guī)定非比例延伸力時(shí),節(jié)點(diǎn)雙彈性階段近似消失。

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圖10 不同初始預(yù)緊力時(shí)T-Y-3受拉荷載-位移曲線(xiàn)


4.2.2 抗拉剛度研究


抗拉剛度是衡量連接節(jié)點(diǎn)抵抗拉伸變形能力的重要指標(biāo)。在各試件受拉荷載-位移曲線(xiàn)基礎(chǔ)上,研究了各影響因素對(duì)節(jié)點(diǎn)抗拉剛度的影響規(guī)律。


以施加的初始預(yù)緊力為40%預(yù)應(yīng)力筋非比例延伸力為例,各影響因素不同所得節(jié)點(diǎn)剛度退化曲線(xiàn)見(jiàn)圖11。


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圖11 節(jié)點(diǎn)抗拉剛度退化曲線(xiàn)


由圖11可知:1)節(jié)點(diǎn)抗拉剛度退化曲線(xiàn)近似成“L”形,隨節(jié)點(diǎn)拉伸變形增加節(jié)點(diǎn)抗拉剛度逐漸降低;2)節(jié)點(diǎn)初始抗拉剛度隨開(kāi)孔十字板厚度或開(kāi)孔角鋼厚度的增加略有提升,圓盤(pán)厚度或套筒高度變化對(duì)節(jié)點(diǎn)初始抗拉剛度影響較小。


以試件T-Y-3為例闡述初始預(yù)緊力對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度退化曲線(xiàn)的影響規(guī)律,其余試件相同,不再詳述。圖12表示在不同初始預(yù)緊力作用下所得試件T-Y-3節(jié)點(diǎn)剛度退化曲線(xiàn)。由圖可知:初始預(yù)緊力不同時(shí)節(jié)點(diǎn)剛度退化曲線(xiàn)仍呈“L”形變化,增加初始預(yù)緊力不僅能提高節(jié)點(diǎn)初始抗拉剛度,而且能有效提高塑性階段的節(jié)點(diǎn)抗拉剛度。


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圖12 不同初始預(yù)緊力時(shí)T-Y-3的抗拉剛度退化曲線(xiàn)


4.3 節(jié)點(diǎn)抗壓性能研究


4.3.1 節(jié)點(diǎn)受壓荷載-位移曲線(xiàn)研究


以初始預(yù)緊力為40%的預(yù)應(yīng)力筋非比例延伸力為例,由圓盤(pán)厚度、開(kāi)孔十字板厚度、開(kāi)孔角鋼厚度及套筒高度不同所得節(jié)點(diǎn)受壓荷載-位移曲線(xiàn)見(jiàn)圖13。


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圖13 節(jié)點(diǎn)受壓荷載-位移曲線(xiàn)


由圖13可知:1)除試件T-Y-1外,其余各試件所得受壓荷載-位移曲線(xiàn)均呈6折線(xiàn)變化,即彈性階段Ⅰ、螺栓滑移階段Ⅱ、彈性階段Ⅲ、屈服階段Ⅳ、強(qiáng)化階段Ⅴ及破壞階段Ⅵ。試件T-Y-1所得受壓荷載-位移曲線(xiàn)呈三折線(xiàn)變化,即彈性階段Ⅰ、屈服階段Ⅱ及破壞階段Ⅲ;2)圓盤(pán)厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)抗壓性能有顯著影響,隨圓盤(pán)厚度增加節(jié)點(diǎn)屈服荷載及極限荷載均顯著提高,當(dāng)圓盤(pán)厚度td≥20 mm后,節(jié)點(diǎn)屈服荷載變化較小但節(jié)點(diǎn)極限荷載仍顯著提高;3)開(kāi)孔角鋼厚度及開(kāi)孔十字板厚度僅在強(qiáng)化階段對(duì)節(jié)點(diǎn)抗壓性能影響顯著,隨二者厚度增加節(jié)點(diǎn)極限荷載均提高,當(dāng)開(kāi)孔十字板厚度tc≥20mm后,其對(duì)節(jié)點(diǎn)抗壓性能影響逐漸降低;4)套筒高度變化對(duì)節(jié)點(diǎn)抗壓性能影響較小,可忽略。


由于初始預(yù)緊力對(duì)各試件受壓荷載-位移曲線(xiàn)具有相同影響規(guī)律,僅以試件T-Y-3為例進(jìn)行說(shuō)明。圖14為在不同初始預(yù)緊力作用下試件T-Y-3所得受壓荷載-位移曲線(xiàn)。由圖可知:1)初始預(yù)緊力不同對(duì)試件T-Y-3受壓荷載-位移曲線(xiàn)影響較小,節(jié)點(diǎn)屈服荷載、極限荷載均未隨初始預(yù)緊力增加而提高。


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圖14 不同初始預(yù)緊力時(shí)T-Y-3受壓荷載-位移曲線(xiàn)


4.3.2 抗壓剛度研究


基于各試件所得受壓荷載-位移曲線(xiàn),進(jìn)一步研究了各影響因素對(duì)節(jié)點(diǎn)抗壓剛度的影響規(guī)律。圖15為當(dāng)施加的初始預(yù)緊力為40%預(yù)應(yīng)力筋非比例延伸力時(shí),由圓盤(pán)厚度、開(kāi)孔十字板厚度、開(kāi)孔角鋼厚度及套筒高度不同所得節(jié)點(diǎn)抗壓剛度退化曲線(xiàn)。


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圖15 節(jié)點(diǎn)抗壓剛度退化曲線(xiàn)


由圖15可知:1)除試件T-Y-1外,其余各試件所得節(jié)點(diǎn)抗壓剛度退化曲線(xiàn)均呈4折線(xiàn)變化,試件T-Y-1所得節(jié)點(diǎn)剛度退化曲線(xiàn)呈雙折線(xiàn)變化;2)圓盤(pán)厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)抗壓剛度影響顯著,隨圓盤(pán)厚度增加節(jié)點(diǎn)抗壓剛度顯著提高;3)開(kāi)孔十字板厚度及開(kāi)孔角鋼厚度僅對(duì)節(jié)點(diǎn)初始抗壓剛度影響顯著,隨開(kāi)孔角鋼厚度及開(kāi)孔十字板厚度增加,節(jié)點(diǎn)初始抗壓剛度逐漸提高,但當(dāng)開(kāi)孔角鋼厚度大于10 mm或開(kāi)孔十字板厚度大于20 mm后,其對(duì)節(jié)點(diǎn)抗壓剛度影響逐漸減小;4)套筒高度對(duì)節(jié)點(diǎn)抗壓剛度影響較小,可忽略。


初始預(yù)緊力的施加導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)抗壓剛度退化曲線(xiàn)呈4折線(xiàn)或雙折線(xiàn)變化。原因在于:加載前期,在軸壓力作用下剛性脊桿受壓釋放部分預(yù)壓力,抵消了軸壓力作用,故節(jié)點(diǎn)初始抗壓剛度提高;當(dāng)軸壓力增大到高強(qiáng)度螺栓摩擦阻力值時(shí),高強(qiáng)度螺栓發(fā)生滑移,節(jié)點(diǎn)剛度退化曲線(xiàn)出現(xiàn)下降段;此后,隨軸壓力增加螺桿與開(kāi)孔十字板發(fā)生擠壓,節(jié)點(diǎn)抗壓剛度略有提高,節(jié)點(diǎn)剛度退化曲線(xiàn)再次出現(xiàn)上升段;隨軸壓力繼續(xù)增大,節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性階段,節(jié)點(diǎn)抗壓剛度退化曲線(xiàn)再次出現(xiàn)下降段。試件T-Y-1由于圓盤(pán)厚度較小,導(dǎo)致圓盤(pán)變形先于高強(qiáng)度螺栓滑移,故節(jié)點(diǎn)剛度退化曲線(xiàn)呈雙折線(xiàn)變化。


以試件T-Y-3為例,分析了初始預(yù)緊力對(duì)節(jié)點(diǎn)抗壓剛度退化曲線(xiàn)影響規(guī)律,其余試件類(lèi)似,不再詳述。在不同初始預(yù)緊力作用下試件T-Y-3所得剛度退化曲線(xiàn)見(jiàn)圖16。由圖可知:隨初始預(yù)緊力增加,節(jié)點(diǎn)初始抗壓剛度逐漸降低,原因在于施加較大的初始預(yù)應(yīng)力降低了剛性脊桿的抵抗變形能力,在軸壓力作用下剛性脊桿先屈服,故節(jié)點(diǎn)初始抗壓剛度降低。


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圖16 不同初始預(yù)緊力時(shí)T-Y-3抗壓剛度退化曲線(xiàn)


05

節(jié)點(diǎn)抗拉/壓設(shè)計(jì)方法


GB/T 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[18]規(guī)定在構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)需遵循“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原則。為此,在對(duì)新型連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗拉、抗壓設(shè)計(jì)時(shí),提出“強(qiáng)連接、弱桿件”的設(shè)計(jì)原則。基于新型連接節(jié)點(diǎn)抗拉/壓性能數(shù)值模擬結(jié)果,提出節(jié)點(diǎn)抗拉、抗壓設(shè)計(jì)方法:


1)軸拉力F或軸壓力N的確定。根據(jù)新型結(jié)構(gòu)體系在極限承載能力狀態(tài)下的受力特點(diǎn),推算各預(yù)應(yīng)力脊桿承受的最大軸拉力F或最大軸壓力N。


2)預(yù)應(yīng)力筋及錨具的選取。當(dāng)軸拉力F確定后,根據(jù)預(yù)應(yīng)力脊桿所設(shè)預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量推算單根預(yù)應(yīng)力筋的最小破斷力,見(jiàn)式(1):

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式中:Pr表示單根預(yù)應(yīng)力筋的最小破斷力值;n表示預(yù)應(yīng)力筋根數(shù)。


當(dāng)單根預(yù)應(yīng)力筋最小破斷力確定后,選取滿(mǎn)足要求的預(yù)應(yīng)力筋及配套錨具。


3)開(kāi)孔十字板截面與開(kāi)孔角鋼截面的初選。當(dāng)桿件承受的最大軸拉力F或軸壓力N確定后,可判定開(kāi)孔十字板及開(kāi)孔角鋼的初始截面尺寸。開(kāi)孔十字板初始截面尺寸需滿(mǎn)足式(2)要求,開(kāi)孔角鋼初始截面尺寸需滿(mǎn)足式(3)要求。


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式中:σc表示開(kāi)孔十字板凈截面最大應(yīng)力值;Acn表示開(kāi)孔十字板凈截面面積;f表示材料的抗拉或抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。


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式中:Aan表示單個(gè)開(kāi)孔角鋼凈截面面積;σn表示單個(gè)開(kāi)孔角鋼凈截面最大應(yīng)力值。


4)高強(qiáng)度螺栓型號(hào)及數(shù)量的選取。開(kāi)孔十字板及開(kāi)孔角鋼截面尺寸初選后,由高強(qiáng)度螺栓需滿(mǎn)足的構(gòu)造及受力要求確定高強(qiáng)度螺栓型號(hào)與數(shù)量。本文以高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接為例,簡(jiǎn)述高強(qiáng)度螺栓數(shù)目的確定方法,其余類(lèi)似。單個(gè)高強(qiáng)度螺栓抗剪承載力設(shè)計(jì)值Nbv由式(4)計(jì)算,高強(qiáng)度螺栓數(shù)目nt由式(5)求得。

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式中:nf表示單個(gè)螺栓的傳力摩擦面數(shù)目;u表示摩擦面的抗滑移系數(shù);P表示高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力值。

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5)開(kāi)始十字板截面及開(kāi)孔角鋼截面的驗(yàn)算。當(dāng)高強(qiáng)度螺栓型號(hào)及數(shù)量確定后,根據(jù)高強(qiáng)度螺栓的實(shí)際布置情況,驗(yàn)算第3)步所選開(kāi)孔十字板及開(kāi)孔角鋼截面是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。


6)校核。若第5)步截面驗(yàn)算滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,則節(jié)點(diǎn)抗拉、抗壓設(shè)計(jì)完成,否則進(jìn)入第3)步,重復(fù)3)~5)步進(jìn)行截面選擇與驗(yàn)算,直至截面滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求為止。


06

結(jié)  論


1)圓盤(pán)厚度對(duì)新型連接節(jié)點(diǎn)抗拉、抗壓性能均具有顯著影響,隨圓盤(pán)厚度增加,節(jié)點(diǎn)抗拉與抗壓初始剛度、屈服荷載及極限荷載均顯著提高;降低開(kāi)孔角鋼厚度可提高節(jié)點(diǎn)抗拉屈服荷載,但降低了節(jié)點(diǎn)抗壓極限荷載;開(kāi)孔十字板厚度僅在強(qiáng)化階段對(duì)節(jié)點(diǎn)抗拉/抗壓影響顯著,隨其厚度增加,節(jié)點(diǎn)抗拉/抗壓極限荷載均提高;套筒高度對(duì)節(jié)點(diǎn)抗拉及抗壓性能影響均較小,可忽略。


2)增加初始預(yù)緊力提高了新型連接節(jié)點(diǎn)的初始抗拉剛度,但降低了節(jié)點(diǎn)初始抗壓剛度。為同時(shí)滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)抗拉與抗壓剛度要求,初始預(yù)緊力建議取值為40%的預(yù)應(yīng)力筋非比例延伸力。


3)基于“強(qiáng)連接、弱桿件”的設(shè)計(jì)原則,提出新型連接節(jié)點(diǎn)的抗拉/抗壓設(shè)計(jì)方法,為工程應(yīng)用提供參考。


作者簡(jiǎn)介


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張愛(ài)林,北京工業(yè)大學(xué)教授、北京學(xué)者、長(zhǎng)江學(xué)者創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人、北京市高層和大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程中心主任、中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng),《工業(yè)建筑》編委。在大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)及裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新研究及工程應(yīng)用取得突出成果,發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇,授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利100余項(xiàng),主編《預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》《多高層建筑全螺栓連接裝配式鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等。成果成功應(yīng)用于北京奧運(yùn)會(huì)羽毛球館、北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓等重大工程。獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)特等獎(jiǎng)2項(xiàng)、中國(guó)土木工程詹天佑獎(jiǎng)等。

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李久林,首批北京學(xué)者、國(guó)家卓越工程師、北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司總工程師。作為“雙奧總工”,主持領(lǐng)導(dǎo)了國(guó)家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢”、國(guó)家速滑館“冰絲帶”、北京槐房再生水廠(chǎng)、新首鋼大橋等幾十項(xiàng)重大工程建造,系統(tǒng)研發(fā)了大跨空間結(jié)構(gòu)建造技術(shù)、智能建造技術(shù)及綠色建造技術(shù)。以第一完成人獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、北京市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、華夏建設(shè)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)及其他省部級(jí)和一級(jí)學(xué)/協(xié)會(huì)科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)、一等獎(jiǎng)9項(xiàng)、國(guó)際焊接學(xué)會(huì)Ugo Guerrera Prize等;發(fā)表論文90余篇、授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利20余項(xiàng)、國(guó)家級(jí)工法3項(xiàng)、出版專(zhuān)著5部。兼任住建部科技委綠色建造專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員、中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)鋼結(jié)構(gòu)專(zhuān)家委員會(huì)智能建造技術(shù)委員會(huì)主任等。


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劉廷勇,北京工業(yè)大學(xué)博士,北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司博士后,主要從事大跨度裝配式預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)智能建造研究。


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