模块化预制钢结构螺栓焊接节点的静力和抗震试验外文翻译资料

 2022-06-21 11:06

建筑钢研究杂志115(2015)417-433。

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建筑钢研究杂志

模块化预制钢结构螺栓焊接节点的静力和抗震试验

X.C. Liu ⁎, S.H. Pu, A.L. Zhang, A.X. Xu, Z. Ni, Y. Sun, L. Ma

北京高层和大跨度预应力钢结构工程研究中心，北京科技大学，中国北京100024

文章信息

文章历史

2015年6月5日收到

2015年7月23日收到订正表格

2015年8月27日接受

2015年9月14日上线

关键词:

预制钢结构

螺栓焊接桁架柱节点

静态性能。

地震能力实验研究

简化计算。 摘要

本文提出了一种模块化预制多高层钢结构的螺栓焊接梁柱节点。同一模块中的组件在工厂内焊接，模块通过前文中提出的节点快速组装。四个节点的静态性能、滞回性能、骨架曲线、延性性能、耗能能力、旋转能力和刚度退化模式通过模型试验和有限元分析得到,厚度的影响、弦和网络构件联合的静态和抗震性能以及焊接质量的影响通过调查得到。结果表明,由于螺栓连接部分的存在,该节点保持相对良好抗震性能：包括延性性能、耗能能力和塑料旋转能力,以及焊缝断裂后的良好静承载力,因此它们可以应用于处于地震带的结构上。减少弦的厚度和网络构件可以显著降低关节的承载力;然而，这种下降与横截面积的减少并不成正比。此外，减少弦和网络构件的厚度对节点的延性性能和耗能能力没有显著影响。文章还提出了节点承载力的简化计算公式，计算结果与实验结果吻合较好。

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  1. 介绍

模块化预制钢结构与绿色建筑评价标准中给出的绿色建筑的定义是一致的[1]，具有广泛的应用前景。模块化预制钢结构构件的标准化、模块化设计与制造已经得到了实现[2-3]。钢结构具有良好的可加工性，适合工业生产;它们重量轻，适合运输，适合用高强度螺栓节点，这使得它们更适合预制建筑[4-8]。

梁柱连接是预制钢结构的核心技术。在设计梁柱节点时，必须充分考虑现场的装配能力，以确保其力学性能：包括强度、刚度和延性。本研究为模块化预制多层钢结构和高层钢结构提供了一种新型的螺栓焊接节点。所提出的节点用于连接两个封闭模块，可以方便地在现场快速组装。如图1所示,该接头由一块上下端装有翼缘的柱基、一块单角钢桁架焊接柱基、一块带有垂直连接板和上下端盖的单角钢桁架螺栓柱基、两个接头盖片,两个共同组合板,和一个垂直的连接板。每个接缝盖板和相应的翼缘组成一个部件，被命名为盖板翼缘，焊接到该列在工厂的末端。

*作者通讯地址:北京工业大学，北京100024。

电子邮件地址:刘雪春@bjut.edu.cn (X.C. Liu)。

柱基由一个短柱和两个翼缘组成，在工厂焊接完成。垂直连接板焊接在短柱一侧的柱基和上、下翼缘的表面。桁架梁由两个单角度桁架梁组成。如图1所示，单角桁架梁的一段焊接在柱底座和工厂的垂直连接板上，如图2所示，该焊接部件放置在一个模块中;另一件单角度桁架梁，放置在另一个模块中，用连接板螺栓连接到垂直连接板上，并与上、下弦连接在盖板上。在弦杆和网杆的相交节点上，通过螺栓连接两个单角度桁架梁，形成双角度桁架梁。在施工现场，两个紧密的模块在梁柱节点上使用螺栓连接，在每个交叉口节点上使用螺栓连接，这样两个紧密的模块就会被合并在一起，并将两个单角桁架拼接在一起。

http://dx.doi.org/10.1016/j.jcsr.2015.08.036

0143-974X/copy; 2015 爱思唯尔有限公司版权所有

图1. 节点结构图. (a) 组件爆炸视图. (b) 装配图. (c) 组装联合.

图2. 制造图. (a) 主板模块详图. (b) 模块拼接.

文章进行的研究主要集中在树状式节点、狗骨式节点、悬臂式节点、连接板开口式节点、长圆形孔螺栓连接式节点、下颌或肋板强化式节点、翼缘强化式节点、蜂窝状框架式梁柱节点的基础理论分析、实验研究、设计和构造方法上。文献检索结果表明，本文所提出的关节是从未被描述过的。我们之前对其进行了初步的有限元分析，但没有进行详细的理论分析和模型试验[19]。本研究采用全尺寸模型试验和有限元分析方法，对四种带有翼缘拼接柱基的螺栓焊接梁柱节点的模块化预制钢结构柱节点进行了有限元分析，并推导出简化计算公式。

角钢桁架广泛应用于轻型钢结构屋面，但在高层建筑中较少使用，尤其在高层建筑中很少使用，因为应力状态和要求不同。桁架和柱节点通常是在不抵抗弯矩的情况下，对屋顶结构进行铰合，但多层结构的连接通常是刚性连接或半刚性连接。对于所建议的螺栓焊接接头，网络构件延伸至弦的下肢，焊接到弦角的两端，并由底板加强，而不是与轻型钢结构中的扣板连接。Subhash[20]早在1994年就使用角钢桁架设计了四层钢结构，研究了低循环荷载作用下单梁的滞回性能;然而，由于桁架梁的网络成员非常薄，没有平面外约束和连接问题，网络成员过早地变得弹性不稳定，造成了相对较差的抗震性能。Hisham改进了采用x -对角线配置的Subhash设计的钢结构，由此产生的钢结构具有较好的耗能能力[21]。几个研究人员在桁架梁上放置了特殊的能量耗散装置，并在结构上表现出良好的抗震性能;例如，在其桁架梁上安装了能量耗散装置的9层结构具有良好的抗震性能[22-25]。

我们通过调整横截面尺寸和和弦的长度以及成员之间的连接方式来改善结构，以避免弹性不稳定性，这是一种相对便宜和简单的方法。

  1. 结构体系的组成和工程应用
    1. 结构体系的组成

本研究提出了一种新型模块化预制高层角钢桁架梁矩形空心截面柱结构，主要包括预制桁架主板和预制翼缘柱。预制桁架主板包括有角钢弦和网络构件的格桁架梁、柱底和楼板。如图2(a)所示，工厂将桁架和柱底焊接在一起，由钢筋混凝土组成的楼板在工厂中浇筑，并用钉子与桁架连接。

桁架主板是水、热、电等公用事业的装配模块。预制桁架主板模块采用单角度桁架拼接在模块边缘和梁柱节点上，形成梁和楼板系统。预制翼缘柱连接在主板上的柱基上，通过其翼缘连接形成多层钢框架结构。主板和翼缘柱都是在工厂预制的，并在现场使用螺栓组装。在图2(b)中，以不同颜色显示的模块是不同的主板模块，模块是整体提升的，用本文研究的节点连接，形成梁、柱和地板系统。

图3. 两层实验结构.(a) 焊接螺栓节点(b)吊装桁架主板模块(c) 两层组装实验结构

图4. 测试标本的详细资料. (a) 螺栓侧立面图. (b) 焊接侧立面图. (c) 平面图纸

    1. 工程应用

我们建了一个两层的实验大楼。如图3(a)所示，它在一个模块内包含全焊接梁柱节点,即右侧节点[26]。现场连接两个模块的螺栓焊接梁柱节点，连接了这两个模块上下侧节点和全螺栓节点,即左侧节点[27].。

表1

标本的编号和尺寸.

编号

弦/mm

网/mm

测试类型

腋板

SH1-J

2L75 times; 8

2L45 times; 6

Static

No

SH1-N

2L75 times; 8

2L45 times; 6

Quasi-static

No

SH2-J

2L75 times; 6

2L45 times; 5

Static

No

SH2-N

2L75 times; 6

2L45 times; 5

Quasi-static

No

实验建筑的结构是根据8级抗震设防标准设计的15层建筑的第一和第二层。如图3(b)所示，12个主板和柱子一个接一个地吊起，仅用8个小时的时间就可以在现场安装。图3 (c)显示建筑完工后的照片。完工后的建筑有紧密连接和非松散的构件，这表明建筑结构非常稳定。该系统还被用于中国烟台的公共建设。该建筑总面积25,546平方米，高度442.75米，包括地面以上九层，地下一层[27]。

  1. 测试设计
    1. 样本设计

根据横、竖向荷载条件下梁柱节点的受力特点，将箱体两端进行刚性连接，桁架梁的末端受单调和循环荷载的影响。为了研究桁架梁对梁柱节点性能的影响，对不同厚度的弦杆和网络构件的试样进行了模拟，并与其他参数进行了相同的计算。所有部件都使用Q235B钢。图4为焊接螺栓梁柱节点的尺寸，表1列出了试件的编号和横截面尺寸。

    1. 加载方案

这组实验是在北京工业大学工程结构实验中心进行的。图5为测试设备。每个标本都垂直放置在测试装置中。每个标本的每一端的箱形柱都被固定在地面的再动墙上。每个箱柱的水平滑动被一个水平的塞螺栓限制。加载点位于桁架梁的末端。一个50吨的液压千斤顶用于提供负载。在静载荷试验中，每个试件都受单调的拉伸载荷作用，使每个试样在加载点上的扭转对其产生的影响都可以消除。在准静态负荷试验中，液压千斤顶对每个试件进行了循环加载;另外，每个试件的桁架梁的弦杆上焊接了两个角钢杆，以防止紧固件脱落和滑落。

    1. 测量方案

图5、实验装置. (a) 测试加载设备的示意图. (b) 测试设置的照片

图6 测试模型的测点布局。. (a) 前视图. (b) 后视图. (c) 左视图. (d) 右视图.

在联合设计和有限元分析结果的基础上，对试件进行了测点，如图6所示。应变计被放置在肢体技巧和肢体的网络和弦角钢在同一截面上。弦杆上的测点记为LXn，网络成员的测量点为LFn，柱、柱基和垂直连接板上的测点记为Zn，盖板上测点表示为Gn;只有数字n显示在图6中。测量了各试件在试验过程中的应力和应变;通过应力计算，可以计算出截面的轴向力和力矩。在每个试件的桁架梁的加载端放置水平位移计1，以测量梁末端的位移。水平和垂直位移米2、3和4是放置在桁架梁的位置和列交叉测量位移的和弦成员造成的时刻结束时梁的整体刚性水平位移的测试模型。在翼缘节点上放置了垂直位移表5和6，以测量左右翼缘的相对滑动位移。

    1. 加载系统

测试模型采用了三种加载终止标准:

(1)标本突然损坏，成员突然失去稳定性，导致标本不再携带;(2)梁的总旋转角度theta;结束rad大于0.06,这是梁端位移Delta;=plusmn;43.8毫米;和

(3)在到达极限荷载后，梁端加载点的荷载P减小到小于80%。

在静载荷试验中，每个试件上加载1kn的单调加载，直到试件失效。试样的屈服载荷和屈服位移Delta;y确定，基于另一个具有相同横截面尺寸的试样在准静态加载试验下的静载荷测试结果,。在整个加载过程中，各试件的位移控制了加载条件;y/3在弹性阶段的每个位移阶段应用，在弹塑性阶段，每一个位移阶段均采用y/2，在试样失败时循环两次，直到试样失败[28]。

  1. 测试过程分析

样本SH1-N经历了一个相对完整的加载过程。当在第一个周期内加载点的位移达到 6mm时，曲线出现了一个小的拐点，而样本最初表现为弹塑性特性。当约minus;6毫米的位移是应用在第一次

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