不锈钢结构梁柱栓焊混接节点研究进展.pdf
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1、Hans Journal of Civil Engineering 土木工程土木工程,2023,12(11),1408-1415 Published Online November 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/hjce https:/doi.org/10.12677/hjce.2023.1211160 文章引用文章引用:赵文博,孙亦男,耿凯,杨康.不锈钢结构梁柱栓焊混接节点研究进展J.土木工程,2023,12(11):1408-1415.DOI:10.12677/hjce.2023.1211160 不锈钢结构梁柱不锈钢结构梁柱栓焊混接
2、栓焊混接节点研究进展节点研究进展 赵文博赵文博,孙亦男孙亦男,耿耿 凯凯,杨杨 康康 辽宁科技学院资源与土木工程学院,辽宁 本溪 收稿日期:2023年10月16日;录用日期:2023年11月22日;发布日期:2023年11月30日 摘摘 要要 不锈钢结构具有造型美观、耐腐蚀性好不锈钢结构具有造型美观、耐腐蚀性好、易于维护和全寿命周期成本低等优点,使其在建筑结构中具有、易于维护和全寿命周期成本低等优点,使其在建筑结构中具有广阔的适用性。本文广阔的适用性。本文列列举了不锈钢结构的典型工程实例,整理并总结了不锈钢结构梁举了不锈钢结构的典型工程实例,整理并总结了不锈钢结构梁柱柱栓焊混接节点栓焊混接节点
3、的的常用类型及其特点,阐述了国内外栓焊混接节点常用类型及其特点,阐述了国内外栓焊混接节点的的研究进展,并提出了现有研究的不足和未来可发展的研究进展,并提出了现有研究的不足和未来可发展的方向,从而为不锈钢结构栓焊混接节点的理论研究和工程方向,从而为不锈钢结构栓焊混接节点的理论研究和工程实践提供借鉴。实践提供借鉴。关键词关键词 不锈钢结构不锈钢结构,梁柱节点梁柱节点,栓焊混接节点栓焊混接节点,研究进展研究进展,设计规范设计规范 Research Progress of Bolt Welded Mixed Joint of Stainless Steel Structure Beam-Column
4、Wenbo Zhao,Yinan Sun,Kai Geng,Kang Yang School of Resources and Civil Engineering,Liaoning Institute of Science and Technology,Benxi Liaoning Received:Oct.16th,2023;accepted:Nov.22nd,2023;published:Nov.30th,2023 Abstract Stainless steel structure has many advantages,such as beautiful appearance,good
5、 corrosion resis-tance,easy maintenance and low cost of the whole life time,so it has wide applicability in building structures.This paper gives a typical engineering example of stainless steel structure,sorts out and summarizes the common types and characteristics of bolt welded mixed joints of sta
6、inless steel structure beam-column,describes the research progress of bolt welded mixed joints at home and abroad,and puts forward the shortcomings of existing research and the future development direc-tion,so as to provide a reference for the theoretical research and engineering practice of bolt we
7、lded mixed joints of stainless steel structure.赵文博 等 DOI:10.12677/hjce.2023.1211160 1409 土木工程 Keywords Stainless Steel Structure,Beam-Column Joints,Bolt Welded Mixed Joints,Research Progress,Design Specification Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creat
8、ive Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 近年来,钢结构因具有重量轻、强度高、韧性和塑性良好、施工周期短、回收利用率较高等优势,在结构工程中得到了广泛应用。但大多数建筑结构工程中采用的普通碳素钢和低合金钢存在抗腐蚀性较差、回收利用率低等缺点1,不仅会造成较严重的安全隐患,同时对结构后期维护产生了不小的挑战。与前者相比,不锈钢自身的耐腐蚀性和耐久性远远优于前两者,可充分利用材料自身的抗腐蚀能力确保其耐久性能2 3,从根本上克服普
9、通钢结构的此类缺陷,将会取得良好的建筑和经济效果4 5;另外,从结构全生命周期成本以及环保方面出发,不锈钢的生命周期成本较低、使用寿命较长,对于大规模的钢架工程而言,其相对投资成本较少;不锈钢材料的性价比较高,可以进行完全性回收利用,在建筑、交通、能源等领域起着重要的作用,并具有广阔的前景。建筑结构中梁柱节点作为建筑钢结构的重要组成部分,是保证梁与柱协同工作、形成结构整体的关键部件,它的性能直接影响结构体系的刚度、稳定性和承载能力6。不锈钢材与普通钢材力学性能存在明显区别,不锈钢结构的设计与施工需要按照 CECS 410-2015不锈钢结构技术规程7执行。由于相关基础研究的不足,该规程并未涵盖
10、不锈钢梁柱节点的相关条款,当前正处于新一轮修订中8。为了将普通钢结构梁柱节点理论及应用更好地在不锈钢的梁柱节点中得到更为广泛的推广和应用,本文综述了国内外关于不锈钢钢结构梁柱节点的最新研究进展,以期为后续研究工作指明方向。2.不锈钢的工程应用不锈钢的工程应用 随着经济增长和人们生活水平的提高,不锈钢所具有的良好综合性能以及耐久、美观、使用寿命长、成本效益高的优点已被人们所共识。如今不锈钢已用于建筑结构的各个方面,使用量在增长,应用范围也在扩大,从华丽大酒店、商业建筑、体育场馆、教堂、市政和桥梁、隧道等公共设施到装饰、屋顶、钢筋混凝土等民用建筑。不锈钢起源可追溯到 20 世纪初期,英国著名冶金科
11、学家亭利布雷尔利(Harry Brearley)发明了不锈钢,后来由英国的 Brearley 和德国的 Maurer 和 Strauss 等人首次将不锈钢材料应用于建筑结构中。结构形式主要包括各类桥梁、体育馆、温室以及寺庙等。国外早期较为经典的不锈钢建筑有:伦敦的 Savoy Hotel、纽约的 Chrysler 大厦、帝国大厦、美孚石油大厦等,20 世纪 90 年代在亚洲建成的吉隆坡双塔大厦、北京保利大厦、上海金茂大厦、香港的会展中心,2002 年为世界足球赛新建日本札幌市穹顶体育场等相继采用。我国是从 1952 年开始着手对不锈钢进行生产的,2006 年之后我国的不锈钢产量稳居全球第一,整
12、体保持增长态势。近年来,随着国家相关设计规范的修订和研究工作的逐渐深入,越来越多的建筑师和结构师更加关注不锈钢的独特性。作为建筑材料,不锈钢必将引领土木工程中的新潮流9,逐渐广泛应用于各大项目工程中。Open AccessOpen Access赵文博 等 DOI:10.12677/hjce.2023.1211160 1410 土木工程 国内外典型不锈钢结构的工程应用如表 1 所示。Table 1.Typical stainless steel structures at home and abroad 表表 1.国内外典型不锈钢结构 序号 项目名称 所属国家 年份 序号 项目名称 所属国家 年
13、份 1 Savoy 大酒店 英国 1889 32 圣潘克拉斯火车站 英国 2007 2 Chrysler 大厦 美国 1930 33 国家大剧院 中国 2007 3 帝王大厦 美国 1931 34 多哈国际机场 卡塔尔 2008 4 费城储蓄基金协会大厦 美国 1932 35 银座德比尔斯大厦 日本 2008 5 美孚石油大厦 美国 1954 36 香港 Stonecutter 大桥 中国 2009 6 圣路易斯拱门 美国 1965 37 Helix Bridge 新加坡 2010 7 多伦多皇家银行大厦 美国 1976 38 哈利法塔 迪拜 2010 8 ICI 大厦 加拿大 1981 39
14、 Harbor Drive Bridge 美国 2011 9 IBM 广场大厦 美国 1984 40 阿尔梅勒 Gnome 停车场 荷兰 2011 10 La Geode 超现代剧院 法国 1985 41 金泽海之未来图书馆 日本 2011 11 自由女神像(内部结构骨架)美国 1986 42 Madeleine 体图书馆 法国 2013 12 盖特威大桥 澳大利亚 1986 43 里昂总部(翻新)法国 2013 13 Louvre Pyramid 法国 1989 44 Dalarna 多媒体图书馆 瑞典 2014 14 Waterloo 国际车站 英国 1992 45 Govett-Brew
15、ster 美术馆 新西兰 2015 15 Waterloo 国际车站 英国 1992 46 上海中心大厦 中国 2016 16 北京保利大厦 中国 1992 47 深圳平安金融中心 中国 2017 17 欧洲人权法院 法国 1994 48 港珠澳大桥 中国 2018 18 千禧桥 英国 1999 49 青岛新机场航站楼 中国 2018 19 吉隆坡双子塔 新加坡 1999 50 香港会展中心 中国 1988 20 上海金茂大厦 中国 1999 51 北京大型国际机场 中国 2019 21 Michael Fowler Center 新西兰 2000 52 五峰山长江大桥 中国 2019 22
16、札幌市穹顶体育场 日本 2001 53 雄安高铁站 中国 2020 23 福建会堂 中国 2001 54“华龙一号”福清核电站 中国 2020 24 广州国际会议展览中心 中国 2002 55 平潭海峡公铁两用大桥 中国 2020 25 新德里国会图书馆 印度 2002 56 Boijmans Van Beuningen 博物馆 荷兰 2021 26 舒伯特俱乐部 美国 2002 57“冰丝带”国家速滑馆 中国 2021 27 匹兹堡会议中心 美国 2003 59 中新广州知识塔 中国 2022 28 静冈县游泳馆 日本 2003 60 瓜达尔机场 巴基斯坦 2022 29 台北 101 大厦
17、 中国 2004 61 兰州中川国际机场 中国 2023 30 芝加哥“Cloud Gate”美国 2004 62 重庆江北国际机场 T3B 航站楼 中国 2023 31 雷佛森桥 挪威 2006 63 广商中心大厦 中国 2023 赵文博 等 DOI:10.12677/hjce.2023.1211160 1411 土木工程 3.钢结构梁柱连接节点的形式及钢结构梁柱连接节点的形式及栓焊混接节点的栓焊混接节点的特点特点 钢结构梁柱连接节点设计在钢结构整体设计中具有重要的作用和意义,钢结构的可靠性和整体性通过连接节点的安全性得到有效保障。梁柱连接节点的基本设计原则:节点必须能够完全传递被连接板件的
18、压力(或拉力)、弯矩和剪力等。在强震作用下节点能够基于材料的延性,保证结构产生非弹性变形,即在梁内而不是在柱内产生塑性铰,以消耗地震输入的能量,使节点免于破坏,并保证建筑结构具有足够的强度和适当的刚度而使其免于倒塌,即“强柱弱梁、强节点弱杆件”的设计思想10 11 12 13。梁与柱的连接节点,按梁对柱的约束刚度大致可分为三类:铰接节点、半刚性节点和刚性节点14。为了保证主梁与柱的连接具有足够刚度,美国和我国的对于多高层钢框架结构体系的梁柱连接设计多按刚性连接设计。梁柱刚性连接的主要构造形式有 4 种:全焊节点、高强螺栓连接节点、栓焊混合节点、三面围焊节点,如图 1 所示15。(a)(b)(c
19、)(d)Figure 1.Common beam-column joint forms 15:(a)All welded joints;(b)High strength bolted joints;(c)Weld joints on three sides;(d)Bolt welded mixed joints 图图 1.梁柱节点常用连接形式15:(a)全焊接节点;(b)高强螺栓连接节点;(c)三面围焊节点;(d)栓焊混接节点 在高层钢结构中,梁与柱的刚性连接通常采用栓焊混合节点,即对梁的上、下翼缘采用焊接连接,对腹板则采用高强度螺栓连接。国内外关于地震破坏的资料表明,栓焊混合连接将是高层、超
20、高层钢结构工程的首选。这种构造受力合理,焊缝和高强度螺栓各自传力路线明确,故可按各自的计算方法分别计算其承载力。相关试验表明,栓焊混合连接节点经过反复加载后节点承载能力基本没有降低,而且还能满足工程抗震所要求的延性。相较于螺栓连接节点,钢结构梁柱栓焊连接节点具有突出的优势:1)采用栓焊混接节点可以避免由于使用大量螺栓造成的材料成本过高的问题14;2)采用栓焊混接节点对构件尺寸的容差大,可以在梁定位后根据实际尺寸调整现场对接焊缝的大小,赵文博 等 DOI:10.12677/hjce.2023.1211160 1412 土木工程 减小施工过程中由于安装尺寸误差所产生的预应力9;3)栓焊混接节点转动
21、刚度大,在设计过程中,除了节点域很弱的情况外,栓焊混接梁柱节点均可以按照刚接节点设计16 17 18。相关计算结果表明,无论按照哪个国家的规范对钢结构节点的要求进行设计,栓焊混接节点转动刚度远高于螺栓连接节点19;4)栓焊混接节点占用构件外空间较小,避免了由于连接螺栓和连接板或增设加劲肋时对空间利用的浪费20,使对建筑使用功能的影响大大降低。但同时,栓焊混接节点也存在明显劣势,主要集中在焊接和螺栓施工过程中,施工工艺、方法等对材料的力学性能的不利影响:1)施工过程复杂,现场焊接质量受到环境温度、焊接工人工作状态等多种不可控因素的影响21,焊接的质量难以得到保证;2)对接焊缝施工过程中,产生焊接
22、残余应力可能会对节点的疲劳和断裂性能产生不利影响,从而降低节点承载能力22;3)焊接热输入影响钢材材质。焊接时,由于焊接不均匀的热输入,节点区局部钢材会产生微观应变23,材料塑性下降,增加发生脆性断裂的风险;4)可焊性不好的材料,不能采用栓焊混接连接节点23。4.不锈钢结构梁柱不锈钢结构梁柱栓焊混接栓焊混接节点的研究现状节点的研究现状 尽管不锈钢材料应用比较广泛,从材料层面解决了钢结构易腐蚀问题,在全寿命周期内可取得良好的经济效益,但现阶段作为结构构件在建筑工程中的使用仍十分有限。各个国家根据不锈钢各方面性能取得的研究成果,分别制定了较为系统全面的建筑结构不锈钢设计规范。欧洲、美国、澳大利亚及
23、新西兰、日本等发达国家开展较早,已有欧洲规范 EN 1993-1-4 23和 EN 1993-1-8 24、美国规范 SEI/ASCE 8-02 25、日本规范不锈钢建筑结构设计标准JIS G 4321-2000 26、澳大利亚/新西兰规范 AS/NZS 4673-2001 27等,我国于 2015 年 12 月正式颁布编制了 CECS 410-2015不锈钢结构技术规程。栓焊混接节点在普通碳素钢结构中已应用广泛,但现有相关研究表明,采用常规的摩擦面加工工艺(拉丝、喷砂、割痕、不处理)处理的不锈钢材料表面抗滑移系数很小28 29,使得剪切板与腹板达不到很好的受剪效果,导致梁翼缘板根部承受弯剪联
24、合作用15,使摩擦型连接难以实现,并且不锈钢材料在循环荷载作用下表现明显的循环硬化,致使此类型节点处于研究的空白。因此,在现有的不锈钢规范中,相对较少的不锈钢连接节点研究大都集中在全焊接或螺栓连接相关性能方面,且适用条件较为狭窄,而缺乏不锈钢栓焊混接节点的理论和试验研究,针对不锈钢梁柱栓焊混接节点的相关试验和理论研究则更加匮乏,亟待开展。针对不锈钢梁柱栓焊混接节点,部分学者已开展了相关的研究(见表 2)。Hasan 等人30 31开展了奥氏体 AISI 316L 不锈钢梁柱顶底角钢连接节点的静力试验研究和数值分析,提出了预测半刚性梁柱节点弯矩转角关系的四参数分析模型。Elflah等人32 33
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