冷弯薄壁型钢四肢拼合梁柱节点抗弯性能研究_温会平.pdf
《冷弯薄壁型钢四肢拼合梁柱节点抗弯性能研究_温会平.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《冷弯薄壁型钢四肢拼合梁柱节点抗弯性能研究_温会平.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 20 卷 第 4 期2023 年 4 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 4April 2023冷弯薄壁型钢四肢拼合梁柱节点抗弯性能研究温会平,刘艳芝,邓飞云,张芬芬(湖南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410082)摘要:基于梁、柱截面拼合形式提出一种新型梁柱连接节点,以实现其拼合截面梁柱的快速装配。为研究其抗弯性能,对4组节点试件进行单调加载试验。通过试验得到节点的破坏模式、弯矩-转角关系,分析柱板厚、节点域螺钉数量、连接件端板厚度对节点抗弯性能的影响,为之后建立有效的冷弯薄壁型钢节点
2、性能分析模型库提供数据,并对节点承载力进行理论计算。研究结果表明:该类节点的破坏模式主要有螺钉拔出或剪断、端板抗弯失效。柱板厚度增加1倍后,节点初始刚度增加26%,极限弯矩提高39.3%;节点域螺钉数量由3排(6个)增加到4排(8个)后节点初始刚度仅增加9.9%,极限弯矩仅提高6.4%;连接件端板厚度由4 mm增加到8 mm时,节点初始刚度提高45.5%,极限承载力没有明显变化。说明柱板厚和连接件端板厚度对节点初始刚度的影响较大,柱板厚对节点极限承载力也有一定的影响,而螺钉数量对节点的初始刚度和极限承载力影响不大。柱板厚度同时翻倍后,增加节点域螺钉数量可以提高节点的初始刚度和极限承载力。4组节
3、点的弯矩转角曲线呈现明显的非线性特征,基于欧洲钢结构Eurocode3规范确定该类节点为半刚性节点。通过对节点进行受力分析计算节点极限弯矩,将计算值与试验值进行对比发现,理论计算值与试验值较为吻合。试验研究的连接件也可用于箱型冷弯轻钢梁柱连接节点,有利于快速装配。关键词:冷弯薄壁型钢;四肢拼合截面;梁柱节点;自攻螺钉连接;单调加载试验;弯矩转角(M-)曲线中图分类号:TU391 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)04-1445-11Flexural behavior of cold-formed thin-walled steel q
4、uadruple-limb build-up beam-column connectionsWEN Huiping,LIU Yanzhi,DENG Feiyun,ZHANG Fenfen(School of Civil Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)Abstract:Based on the combination of beam and column sections,a new type of beam-column connections wasproposed in order to realize the rap
5、id assembly of the beam-column with its combination section.In order to study its flexural performance,monotonic loading tests were carried out on four groups of connections,and the failure modes and bending moment-rotation relationship of the connections were obtained through the tests.The influenc
6、es of column thickness,the number of screws in the connection domain and the thickness of the end plate of the connection on the flexural performance of the connection were analyzed.This provided data for 收稿日期:2022-04-19基金项目:湖湘高层次人才聚集工程-创新人才资助项目(2021RC5005)通信作者:刘艳芝(1982),女,湖南新化人,副教授,博士,从事钢结构、组合结构与工程
7、结构的极限荷载研究;E-mail:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220771铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 4月establishing an effective performance analysis model library of cold-formed thin-walled steel connections,and theoretically calculated the bearing capacity of the connection.The results show that the failure modes of this
8、kind of connections mainly include screw pulling out or shearing,and bending failure of end plates.When the thickness of the column is doubled,the initial stiffness of the connection increases by 26%and the ultimate bending moment increases by 39.3%.When the number of screws in the connection domain
9、 is increased from three rows(6)to four rows(8),the initial stiffness of the connection only increases by 9.9%,and the ultimate bending moment only increases by 6.4%.When the thickness of the end plate increases from 4 mm to 8 mm,the initial stiffness of the connection increases by 45.5%,and the ult
10、imate bearing capacity has no obvious change.It shows that the thickness of the column plate and the end plate of the connection have great influence on the initial stiffness of the connection,and the thickness of the column plate also has certain influence on the ultimate bearing capacity of the co
11、nnection,while the number of screws has little influence on the initial stiffness and ultimate bearing capacity of the connection.When the thickness of the column is doubled at the same time,increasing the number of screws in the connection domain can improve the initial stiffness and ultimate beari
12、ng capacity of the connection.The bending moment-angle curves of four groups of connections show obvious nonlinear characteristics,and this kind of connections is determined to be semi-rigid based on Eurocode3 specification for steel structures in Europe.The ultimate bending moment of the connection
13、 is calculated through the stress analysis of the connection.By comparing the calculated value with the experimental value,it is found that the theoretical calculated value is in good agreement with the experimental value.The tested connections can also be used for box-type cold-formed light steel b
14、eam-column connections,which is conducive to rapid assembly.Key words:cold-formed thin-walled steel;quadruple-limb build-up section;beam-column connections;self-drilling screw connections;monotonic loading test;moment-rotational curve 冷弯薄壁型钢结构体系有轻质高强、舒适节能、全预制化、施工便利、绿色美观、安全可靠等优点。与热轧型钢相比,冷弯型钢薄壁型构件更容易制
15、造,具有高强度重量比,易于运输和安装1。冷弯薄壁型钢结构住宅基本构件主要是 U型、C型以及L型截面3种截面形式,C型常用做梁柱承重构件2。单肢C型和U型钢截面构件加工简单,构件自重轻,装配速度快,但是单肢C型截面构件承载力较小,截面的形心与剪心不重合,因此容易发生扭转失稳。在实际工程中,对一些受力复杂的构件承载力要求较高,薄壁单肢截面承载力通常是不够的3。随着对冷弯薄壁梁柱构件承载力要求的提高,人们研究了多种拼合截面形式的冷弯薄壁构件。郭建勋等4研究了双U拼合以及腹板弯折的双 C 拼合的 I 型截面梁,对试件在ITF荷载条件下进行腹板压屈试验。研究发现试件均发生了受压腹板平面外屈曲破坏,腹板弯
16、折的双C拼合试件还出现了整体屈曲,双C拼合试件的腹板屈曲承载力比双 U 拼合 I 型梁更大。MEZA等5对12个2种拼合形式的梁进行了四分点静载试验,一种是双U型钢工字形截面,另一种是在前者基础上加一个U形上导梁,试件均使用M6螺栓拼合组成,试验发现试件的破坏多为跨中腹板及上翼缘的局部屈曲,螺栓间距对构件承载力有影响。LAM等6进行了 4种截面形式梁的纯弯性能试验,分别是单肢C型、双肢抱合箱型(R型)、卷边I型和四肢抱合双腔箱型(2R型)。观察发现,C形和唇形I型截面梁的破坏形式主要是侧向扭转屈曲,而畸变屈曲是R型和2R型梁的主要破坏模式。ZHOU等7通过试验结合有限元的方法研究了 CU双肢抱
17、合箱型截面柱的轴压性能,研究发现该类型柱在轴向压缩条件下发生了明显的局部屈曲变形,最后提出了一种预测组合箱形截面柱极限强度的简化设计方法。杜兆宇等8研究了由自攻螺钉1446第 4 期温会平,等:冷弯薄壁型钢四肢拼合梁柱节点抗弯性能研究将2个C型钢和2个U型钢拼合成箱型截面的拼合柱,进行了12根拼合箱型柱的轴压试验,试验试件在柱中部附近发生了局部破坏,通过试验数据结合数值模拟的方法对构件长度进行了参数化分析,并根据数据分析提出了适用于该种拼合箱型柱的构件承载力计算方法。然而,国内外对冷弯薄壁型钢拼合梁柱节点的研究不多。薄壁构件焊接时容易焊透,焊接残余应力较大9,因此其节点形式主要有自攻螺钉连接C
18、型钢梁柱节点、钢板-螺栓节点、角钢连接节点等。ALY等10探讨了3种冷弯薄壁型钢单C梁柱连接板螺栓连接方式,分别为带卷边锥形连接板、无卷边锥形连接板和锥形连接板加C型斜支撑。通过对3种斜支撑的有限元参数模拟分析发现,连接件的失效是由于螺栓孔周围的局部屈曲,这形成了局部塑性机制,带卷边节点承载力比其余两者高,节点板板厚对节点承载力的影响很重要。赵莹等11研究了高强螺栓节点板连接冷弯薄壁型钢双肢拼合工字形梁柱节点的静力性能,利用加腋增强节点刚度,采用ANSYS建立节点有限元模型进行静力分析,理论计算的节点承载力与有限元结果基本一致,通过对比高强螺栓节点与自攻螺钉节点的薄弱点发现,前者的薄弱位置远离
19、节点域附近。BUMYS等12基于构件法对冷弯型钢节点板螺栓连接进行了研究,提出了冷弯型钢梁柱节点刚度计算的“三弹簧”力学模型。宋庆彦13研究的节点梁柱截面均为双肢拼合工字形截面,节点连接方式为顶底角钢腹板双角钢连接。研究表明,节点破坏主要发生在顶部角钢,该种节点为半刚性节点,节点变形能力较大,角钢上设置加劲肋可提高节点刚度。张圣华等14采用T型件法分析高强度螺栓端板连接节点承载力,根据节点破坏时节点静力平衡,得到节点抗拉承载力。通过对国内外规范关于端板连接节点承载力计算公式的对比发现,中国规范由于没有修正塑性铰位置而使得计算结果比较保守。张寒松15研究了H型钢梁-方钢管柱顶底角钢连接节点,采用
20、了屈服线理论对角钢抗拉承载力进行计算,以受压角钢的中心线为转动中心,则角钢抗拉承载力与力到转动中心距离的乘积即节点抗弯承载力。刘方舟等16采用ABAQUS研究了通过T型热轧钢板自攻螺钉连接的双肢冷弯薄壁型钢梁柱节点承载力性能,试验节点破坏时螺钉均未达到屈服强度,与普通螺栓和高强螺栓相比,自攻螺钉价格低,且自攻螺钉连接节点形式简单,有利于提高装配速率,发展前景良好。目前,拼合截面梁柱形式的节点研究较少,节点连接形式类型也比较局限,一些薄壁箱型截面梁柱连接节点更是如此。基于此,本文提出一种新型冷弯薄壁型钢四肢拼合梁柱节点,如图1所示。梁柱构件均为四肢拼合截面,其中梁截面由4个C型钢通过自攻螺钉拼合
21、而成,2个C型钢背对背卷边朝外,通过在上下安装C型钢固定,具体截面形状如图1所示1-1截面;柱由2个C型钢以及2个U型钢组成封闭箱形截面,具体截面形状如图1所示2-2截面;节点的连接件由端板以及2个槽钢焊接组成,槽钢与梁连接,端板与柱连接;为提高结构装配化,节点连接均采用自攻螺钉。本文通过单向抗弯试验研究节点的静力性能,分析连接件端板厚度、螺钉数量、柱构件厚度对节点受弯性能的影响,主要目的是研究该四肢拼合梁柱节点的破坏形式,获得节点的弯距转角曲线,分析节点连接性能,为之后建立有效的冷弯薄壁型钢节点性能分析模型库提供数据,以实现其拼合截面梁柱的快速装配,实现新的冷弯薄壁型钢结构体系的工业化。1
22、试验概况1.1试件设计该节点设计想法是将塑性变形集中在节点域,节点形式选取冷弯薄壁框架边柱节点。四肢拼合图1四肢拼合梁柱节点示意图Fig.1Schematic diagram of quadruple-limb build-up beam-column connections1447铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 4月梁柱节点构件如图2所示,梁由四肢相同的C型钢通过自攻螺钉 ST6.3拼合而成,梁长 1.5 m,具体尺寸见图2(a)。柱由2个C型钢以及2个U型钢通过自攻螺钉 ST6.3 拼合成一个矩形柱,柱长 3 m,柱截面宽度与梁截面宽度相同,具体尺寸见图2(b);节点连接件
23、由端板以及槽钢焊接组成,具体尺寸见图2(c)。节点抗弯试验共设4组试件,见表1。所有试件梁型钢厚度均为 1.2 mm,自攻螺钉间距为30 mm,连接件槽钢厚度为4 mm。节点域梁端自攻螺钉布置为2列,设置了3排以及4排。钢材均采用Q235钢,梁柱构件为工厂定制的冷弯薄壁型钢,连接件采用普通钢。自攻螺钉采用规格为ST6.3的钻尾螺丝410不锈钢外六角自攻自钻燕尾钉。连接件的端板与槽钢通过焊接组合,焊条型号采用 J422,焊接方式为角焊缝三面围焊,端板厚度为 4 mm 时焊脚尺寸取 4 mm,端板厚度为8 mm时焊脚尺寸取6 mm。1.2试验装置本试验在湖南大学土木工程学院结构实验室进行,根据试验
24、场地等条件决定采用柱水平放置、梁垂直于地面方案,试验加载装置及位移计测点如图3所示。钢梁端部由水平千斤顶施加梁端水平推力,采用力控制进行加载。考虑到柱构件可能会发生倾覆或水平位移,需要在柱顶以及柱底设置横档以抵抗水平力,保证柱子两端铰接。通过预加轴力固定试件,轴压比取0.21,J1J3试件预加轴力为145 kN,J4试件预加轴力为73.7 kN。试验加载过程分为预加载与正式加载。预加载是为了确保加载装置和测量仪器都能够正常工作。正式加载采用力控制分级加载,每级加载完成后停歇3 min,进行观察并记录试验现象。试验一直加载到试件完全破坏失效。位移计布置如图3所示,梁端荷载和位移分别由放在千斤顶端
25、部的力传感器和加载端500 mm的位移计D1(距梁柱轴线交界处1 505 mm)进行测量;在节点域设置3个位移计,在梁下翼缘距柱子轴心线 300 mm 处设置位移计 D2 测量梁的水平位移;距组合柱节点轴心250 mm的柱壁上下端处设置电测百分表D3和D4来测量柱两端产生的位移,以修正节点转角误差。节点域应变测点布置如图4所示,布置分为3单位:mm(a)拼合梁截面尺寸;(b)拼合柱截面尺;(c)连接件尺寸图2四肢拼合梁柱节点试件尺寸Fig.2Specimen size of quadruple-limb build-up beam-column connections表1四肢拼合梁柱节点试件T
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 薄壁 型钢 四肢 拼合 梁柱 节点 性能 研究 温会平
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。