装配式钢框架柱法兰栓焊连接...力性能试验研究与有限元分析_舒兴平.pdf
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1、第 53 卷 第 5 期2023 年 3 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.5Mar.2023DOI:10.19701/j.jzjg.20201357国家自然科学基金项目(51778219)。第第一一作作者者:舒兴平,博士,教授,博士生导师,主要从事钢结构高等分析与设计,高层及高耸钢结构设计计算理论等,Email:hulget 。通通信信作作者者:钱鑫,硕士,助理工程师,主要从事钢结构研究,Email:1191294525 。装配式钢框架柱法兰栓焊连接节点受力性能试验研究与有限元分析舒兴平1,钱 鑫1,刘筱钰1,贺 冉2,张再华2,姚 尧1(1 湖南大学
2、土木工程学院,长沙 410082;2 湖南城市学院土木工程学院,益阳 413099)摘要:为研究一种新型法兰栓焊连接柱节点在多高层钢结构中的工程应用,对 3 个法兰连接足尺模型试件进行了静力加载试验,并建立 ABAQUS 有限元模型对其进行对比论证以及理论分析。分析结果表明:新型法兰栓焊连接节点受力性能良好,对比传统法兰连接节点其刚度和承载力均有所提升;新型法兰栓焊连接节点的破坏模式有所改善。得出了不同焊缝尺寸下新型法兰栓焊连接节点的螺栓与焊缝承受弯矩的受力分配比,试验结果与有限元分析结果具有较好的一致性。关键词:装配式钢框架结构;新型节点;法兰连接;栓焊连接节点;静力试验;有限元分析 中图分
3、类号:TU391 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)05-0090-08引用本文 舒兴平,钱鑫,刘筱钰,等.装配式钢框架柱法兰栓焊连接节点受力性能试验研究与有限元分析J.建筑结构,2023,53(5):90-97.SHU Xingping,QIAN Xin,LIU Xiaoyu,et al.Experimental study and finite element analysis on mechanical behavior of flange bolted-welded connection joints of fabricated steel frame column
4、J.Building Structure,2023,53(5):90-97.Experimental study and finite element analysis on mechanical behavior of flange bolted-welded connection joints of fabricated steel frame column SHU Xingping1,QIAN Xin1,LIU Xiaoyu1,HE Ran2,ZHANG Zaihua2,YAO Yao1(1 College of Civil Engineering,Hunan University,Ch
5、angsha 410082,China;2 College of Civil Engineering,Hunan City University,Yiyang 413099,China)Abstract:In order to study the engineering application of a new type of flange bolted-welded connection column joints in multi-stored steel structures,static loading tests were carried out on 3 full-scale mo
6、del specimens of flange connection,and the ABAQUS finite element model was established to carry out comparative demonstration and theoretical analysis.The analysis results show that the new type of flange bolted-welded connection joints stress performance is good,and the stiffness and bearing capaci
7、ty are improved compared to traditional flange connection.The failure mode of the new type flange bolted-welded connection joint has been improved.The stress distribution ratio between the bolt of the new type flange bolted-welded connection joint and the bending moment of the welding joint under di
8、fferent weld sizes was obtained,the experimental results are in good agreement with the finite element analysis results.Keywords:fabricated steel frame structure;new joint;flange connection;bolted-welded connection joint;static test;finite element analysis 0引言 工业化装配式高层钢结构住宅产业化是发展我国全寿命绿色建筑、促进住宅产业化转型升
9、级、化解当前钢铁产能过剩的重大战略需求,更是我国建筑业实现现代化的必由之路1。目前装配式钢结构中柱与柱的连接方式主要是采用等强焊接,国内学者也提出了一些全螺栓连接形式。但是现行高 层 民 用 建 筑 钢 结 构 技 术 规 程(JGJ 992015)2要求柱柱连接的塑性受弯承载力大于柱的塑性受弯承载力,螺栓连接方式难以满足规范的要求。传统法兰连接是钢柱通过法兰盘上的螺栓进行连接的连接形式,目前这种法兰连接主要应用于管道、塔架结构及压力容器等工业建筑,极少应用于多高层等民用建筑结构中。法兰连接根据其构造有无加劲肋可分为刚性法兰和柔性法兰。王元第 53 卷 第 5 期 舒兴平,等.装配式钢框架柱法
10、兰栓焊连接节点受力性能试验研究与有限元分析清等3-6分别对四个构件:圆钢管柔性法兰与刚性法兰、方钢管柔性法兰和刚性法兰的连接进行纯弯试验研究,对比四种不同法兰构造的受力性能,结合有限元分析并利用屈服线理论和虚功原理推导出法兰连接简化计算公式。邓洪洲等7对 2 组 6 个方钢管刚性法兰连接节点进行静力加载试验并进行有限元分析,建议将方形法兰在弯矩作用下的旋转轴向受压区调整并推荐采用切角形法兰板。丁娟等8对两组 6 个方钢管柱柔性法兰连接节点足尺模型进行了静力和拟静力试验,试件的延性和耗能性能良好,其失效模式为下短柱屈服,提出钢板攻丝高强螺栓法兰连接在设计分析中可视为等效刚接。刘学春等9-12对
11、12 个不同法兰厚度、螺栓边距、法兰边缘宽度和螺栓孔直径的柱法兰连接件进行了静力试验和有限元分析,分析法兰节点在弯-剪组合、压-弯-剪组合和拉-弯-剪组合作用下的受力性能,基于屈服线理论和 T 形端板计算模型,得出柔性法兰连接的荷载传递机理与屈服承载力计算公式。传统法兰连接具有预制装配程度高、施工速度快等优势,这种传统的全螺栓法兰连接广泛应用于工业建筑中,但其是否满足民用建筑钢框架结构对节点强度以及刚度的要求有待进一步研究。框架柱在楼面交界处采用法兰端板高强螺栓和焊接共同受力的连接形式在建筑工程中尚无应用实例。因此为改进规范中钢框架柱连接方式的种类,本文提出新型法兰栓焊连接节点这一连接构造,如
12、图 1所示,框架柱在楼面标高处分段,上、下段柱在分段位置通过法兰连接,同时下段柱柱头在工厂焊接预制牛腿,牛腿与框架梁之间采用全螺栓连接,此类节点不仅同时保证了柱柱连接与梁柱连接的预制装配式特性、提高了施工速度,而且还有效提高了节点的刚度和承载力。与传统框架节点相同的是,本文提出的新型节点可根据实际条件和施工要求采用多层柱或单层柱,对于多层柱在中间楼层的贯通位置与梁的连接节点仍然采用传统连接做法。图 1 装配式钢框架柱法兰栓焊连接节点通过对 2 个装配式钢框架柱新型法兰栓焊连接节点试件和 1 个传统法兰连接节点试件进行静力加载试验并建立有限元模型来进行对比分析,研究节点在弯矩和剪力共同作用下的受
13、力性能,对法兰的应力、螺栓拉力以及焊缝受力进行分析。1试验概况1.1 试件设计及制作 为研究装配式钢框架柱法兰栓焊连接节点在弯矩和剪力组合作用下的受力性能,设计了 3 个不同焊缝尺寸的法兰连接试件(2 个装配式钢框架柱新型法兰栓焊连接节点试件 JD1、JD3 和 1 个传统法兰连接节点试件 JD2)。试件几何尺寸及构造如图2 所示。所有试件方钢管柱截面尺寸均为 600mm600mm 20mm,法兰交界面到柱顶水平力加载点高2 190mm,均采用 Q345B 钢材,法兰螺栓孔直径为33mm、螺栓边距为 50mm。法兰通过 20 个 10.9 级M30 高强度螺栓连接。3 个试件的参数仅上下法兰板
14、间焊缝变化:JD1 试件为 30mm 角焊缝,JD2 试件无焊缝,JD3 试件为 15mm 角焊缝。根据钢结构设计标准(GB 500172017)13规定,S10.9 级 M30 高强螺栓的预紧力为 355kN,使用 PID-2000(600-2 000Nm)电动扭矩扳手对其施加扭矩。对于新型法兰栓焊连接节点(JD1 和JD3),其连接主要为 3 个步骤:1)对各高强螺栓施加 30%预紧力初拧;2)采用 CO2气体保护焊对上下法兰板间进行角焊缝焊接,焊丝为 ER50-6;3)待试件冷却至室温后再换贴有应变片的螺栓并施加355kN 预紧力完成终拧。对于传统法兰连接节点(JD2)只需完成第 3 步
15、对螺栓进行终拧即可。1.2 试验装置 本次试验在湖南城市结构实验室进行,装置采用自平衡反力钢架,底梁两端采用 16 个 10.9 级 M42 高强螺栓与自平衡反力钢架连接,同时为防止底梁破坏,在底梁两端都采用压梁固定住。采用 300t 液压千斤顶在柱顶进行水平加载,加载装置示意图见图 3。1.3 加载方案 在正式加载前进行预加载。正式加载采用力-位移混合控制加载,加载过程中,节点屈服前用荷载控制,以 40kN 为一个加载等级,屈服后用位移控制,取+5mm 作为加载位移的步长进行加载。当构件达到极限荷载时,持续加载至构件发生破坏(荷载下降到极限荷载的 85%或变形过大而不适于继续加载)。每级加载
16、持续 5min,并观察试验现象。19建 筑 结 构2023 年图 2 装配式钢框架柱法兰连接节点试件构造及尺寸图 3 试验加载装置1.4 量测内容 图 4 为试件测点布置示意图,位移计采用应变式位移计,由数据采集系统自动记录数据。编号为Z1Z6 的位移计用来测量沿柱高度的水平位移;编号为 W1 W2 的位移计用来测量钢柱平面外的水平位移;编号为 W3W5 的位移计用来测量法兰板图 4 试件测点布置示意图的竖向位移;编号为 W6 的位移计用来测量法兰板的水平位移;编号为 J1 的位移计用来测量自平衡反力 钢 架 的 水 平 位 移;试 件 应 变 片 数 据 使 用XL2101GE 静态电阻应变
17、仪采集,其中数字 140 表示螺栓上的应变片。螺栓应变片的布置如图 5 所示,为避免试验过程中应变片失效而导致测量误差,在螺栓的栓杆上 图 5 螺栓 应变片 布置对称地开两个槽,并在槽的上方螺帽处钻取直径约 2mm 的小孔用来引出 导 线,槽 宽 5mm、深 1mm、长15mm,需保证槽的中心和上下法兰板交界面对齐。应变片放于槽底,表面覆盖环氧树脂加以保护,试件在安装过程中,为确保测量数据准确,应保证螺栓中两个应变片的连线垂直于弯矩作用方向,取两个应变值的平均值作为该螺栓的轴向应变值,通过此值便可计算螺栓的轴向拉力。2试验结果及分析2.1 试验现象及破坏模式 JD1 试件加载过程中,对螺栓施加
18、预紧力之后,两法兰盘处于紧密接触状态,当节点弯矩达到2 759.4kNm 左右,荷载-位移曲线出现明显的刚度减小现象,试件开始屈服,受拉侧螺栓屈服,此时试件没有 发 生 明 显 变 形 及 破 坏;当 节 点 弯 矩 达 到3 252.15kNm 左右时,试件发生声响,荷载突降,受拉侧右端上加劲肋焊缝裂开,达到极限荷载,如图6(a)、(b)所示;继续采用位移控制加载,节点弯矩一29第 53 卷 第 5 期 舒兴平,等.装配式钢框架柱法兰栓焊连接节点受力性能试验研究与有限元分析直稳定在 3 000.3kNm 左右,直至受拉侧钢柱破坏,试验终止,此时试件有明显的侧向位移,最大侧移值为 94.81m
19、m。受压侧法兰柱底部未发生局部屈曲现象,上下法兰板焊接连接部位未出现裂缝,受拉侧钢柱上加劲肋处出现横向裂缝,如图 6(c)所示。图 6 JD1 试件试验现象JD2 试件加载过程中,对螺栓施加预紧力之后,两法兰盘处于紧密接触状态,当节点弯矩达到2 457.75kNm 左右,荷载-位移曲线出现刚度减小现象,试件开始屈服,同时受拉侧螺栓已达到屈服应变;继续采用位移控制加载,位移增大但荷载上下波动不大,节点极限弯矩为 2 827.5kNm,受拉侧螺栓大部分达到极限强度,同时受拉侧右端加劲肋上焊缝拉开,如图 7(a)、(b)所示,高强螺栓达到极限强度被拉坏,试验终止。此时试件有明显的侧向位移,最大侧移值
20、为 89.47mm。钢柱与法兰板连接处产生向上拉起的变形,受压侧法兰柱底部未发生局部屈曲现象。试件拆卸后发现受拉侧螺栓产生变形,螺纹处被磨平,如图 7(c)所示,受力最大的两个螺栓变形严重,已无法取出。JD3 试件加载过程中,对螺栓施加预紧力之后,两法兰盘处于紧密接触状态,当节点弯矩达到2 610kNm 左右,荷载-位移曲线出现明显的刚度减小现象,试件开始屈服,受拉侧螺栓屈服,此时试件没有发生明显变形及破坏;当节点弯矩达到2 827.5kNm 左右时,受拉侧钢柱两端上加劲肋与钢柱连接处焊缝开始裂开,同时钢柱底部和上法兰板连接处的法兰板出现向上拔起的微小变形,荷载在小范围内波动;继续采用位移控制
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