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2020年 第35卷 第8期
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2020, 35(8): 1-16.
doi: 10.13206/j.gjgSE20042701
摘要
PDF (13056KB)
摘要:
提出了一种适用于抗弯钢框架的可更换组合梁连接构造，钢梁翼缘处由可更换角钢连接，并进行了一系列试验研究。在预期地震作用下，损伤集中于角钢，方便震后更换。同时，考虑到震后建筑功能的快速恢复，使钢梁上方混凝土楼板内发生的裂缝宽度在可接受的微小程度范围内。试验研究分为三个阶段：纯钢梁连接构造的梁柱子结构试验，组合梁连接构造的梁柱子结构试验，以及配置可更换组合梁连接构造的钢框架动力试验。
首先简要回顾前两阶段的研究成果，随后报告了第三阶段的研究工作，即配置可更换连接构造的缩尺钢框架的振动台试验。结果表明：形状与尺寸设计中考虑了塑性变形需求与防止净截面断裂破坏风险后，角钢可以有效吸收地震输入的能量，避免其他构件先行损伤；合理设计的连接构造可以避免混凝土严重开裂或者压溃；当主要构件保持弹性或轻微塑性时，快速更换角钢是可行的；更换角钢后，结构的刚度和承载力可以恢复到初始状态。
提出了一种适用于抗弯钢框架的可更换组合梁连接构造，钢梁翼缘处由可更换角钢连接，并进行了一系列试验研究。在预期地震作用下，损伤集中于角钢，方便震后更换。同时，考虑到震后建筑功能的快速恢复，使钢梁上方混凝土楼板内发生的裂缝宽度在可接受的微小程度范围内。试验研究分为三个阶段：纯钢梁连接构造的梁柱子结构试验，组合梁连接构造的梁柱子结构试验，以及配置可更换组合梁连接构造的钢框架动力试验。
首先简要回顾前两阶段的研究成果，随后报告了第三阶段的研究工作，即配置可更换连接构造的缩尺钢框架的振动台试验。结果表明：形状与尺寸设计中考虑了塑性变形需求与防止净截面断裂破坏风险后，角钢可以有效吸收地震输入的能量，避免其他构件先行损伤；合理设计的连接构造可以避免混凝土严重开裂或者压溃；当主要构件保持弹性或轻微塑性时，快速更换角钢是可行的；更换角钢后，结构的刚度和承载力可以恢复到初始状态。
2020, 35(8): 17-23.
doi: 10.13206/j.gjgS20040201
摘要:
蜂窝板结构由上下两层面板和中间一层蜂窝芯组合而成，具有整体质量轻、强度高、刚度大等特点，被广泛应用于航空航天、船舶、汽车和建筑领域。由于常用的蜂窝板芯层结构采用胶黏剂连接，胶黏剂的性能对其力学性能影响较大，尤其是胶黏剂的老化对蜂窝板结构性能影响尚不明确。而蜂窝板常被用于建筑外表面，长时间受到外环境影响，对其耐久性提出了很大的考验。结构耐久性评价指标通常需要根据不同的使用要求进行设定，蜂窝板结构根据不同的工作条件关注的对象也不相同，其中力学性能是一个很重要的评价指标，需重点关注蜂窝板的平压强度。
主要对钛锌蜂窝板芯层结构进行高温加速老化试验，通过对平压强度变化评价其耐久性。首先根据工程要求的设计使用年限，设定预期寿命为0，25，30 a，并基于阿累尼乌斯方程推导温度变化的反应速率变化公式，从而推导高温加速老化时间。选取典型的4家厂家提供的60 mm×60 mm×20 mm蜂窝芯标准试件，将其分别按照预期寿命0，25，30 a分组并进行高温加速老化，每组预留1个试样仅加速老化不进行准静态压缩，其余各组进行准静态压缩试验，逐件测试试样的准静态压缩力，记录载荷特性曲线，读取压溃荷载，记录压溃形式。分析试样老化后平压强度与峰值强度，与老化前同批次试样对应数值对比，设定老化后试样与同规格件老化前控制指标偏差超过±15%，进行偏差性分析。
试验结果表明：蜂窝芯层在平压过程中经过弹性变形、塑性变形和失稳三个阶段。弹性变形阶段Ⅰ：在荷载-位移曲线上为斜直线，蜂窝芯呈现弹性变形。塑性变形阶段Ⅱ：蜂窝芯壁板间发生脱胶脆裂，出现塑性屈曲变形，平压强度迅速降低。失稳阶段Ⅲ：随着加载继续，壁板间约束失效，蜂窝芯逐渐被压合，且周边蜂窝结构逐渐破坏，当结构被压合后，平压强度维持在一个相对较低的平台上。分析表明：4个厂家的蜂窝板在老化年限为30 a以内，平压强度变化范围均没有超过设定的±15%的指标偏差，耐久性表现良好。当蜂窝芯排布更密实时，平压强度提高较为明显，同时平压后整体试件表现更好，能基本保持方形。随着老化时间的提高，蜂窝板的平压强度总体上呈现下降趋势，在老化年限25 a内，各系列强度下降较小，且有部分系列强度甚至提高，设计使用年限定为25 a较为合理。由于不同厂家的产品因胶黏剂成分和制备方法的差异，不同厂家的力学性能表现差异较大。分析方法和试验结果论证了蜂窝芯层结构在实际使用前的使用寿命预测的必要性和可行性。
蜂窝板结构由上下两层面板和中间一层蜂窝芯组合而成，具有整体质量轻、强度高、刚度大等特点，被广泛应用于航空航天、船舶、汽车和建筑领域。由于常用的蜂窝板芯层结构采用胶黏剂连接，胶黏剂的性能对其力学性能影响较大，尤其是胶黏剂的老化对蜂窝板结构性能影响尚不明确。而蜂窝板常被用于建筑外表面，长时间受到外环境影响，对其耐久性提出了很大的考验。结构耐久性评价指标通常需要根据不同的使用要求进行设定，蜂窝板结构根据不同的工作条件关注的对象也不相同，其中力学性能是一个很重要的评价指标，需重点关注蜂窝板的平压强度。
主要对钛锌蜂窝板芯层结构进行高温加速老化试验，通过对平压强度变化评价其耐久性。首先根据工程要求的设计使用年限，设定预期寿命为0，25，30 a，并基于阿累尼乌斯方程推导温度变化的反应速率变化公式，从而推导高温加速老化时间。选取典型的4家厂家提供的60 mm×60 mm×20 mm蜂窝芯标准试件，将其分别按照预期寿命0，25，30 a分组并进行高温加速老化，每组预留1个试样仅加速老化不进行准静态压缩，其余各组进行准静态压缩试验，逐件测试试样的准静态压缩力，记录载荷特性曲线，读取压溃荷载，记录压溃形式。分析试样老化后平压强度与峰值强度，与老化前同批次试样对应数值对比，设定老化后试样与同规格件老化前控制指标偏差超过±15%，进行偏差性分析。
试验结果表明：蜂窝芯层在平压过程中经过弹性变形、塑性变形和失稳三个阶段。弹性变形阶段Ⅰ：在荷载-位移曲线上为斜直线，蜂窝芯呈现弹性变形。塑性变形阶段Ⅱ：蜂窝芯壁板间发生脱胶脆裂，出现塑性屈曲变形，平压强度迅速降低。失稳阶段Ⅲ：随着加载继续，壁板间约束失效，蜂窝芯逐渐被压合，且周边蜂窝结构逐渐破坏，当结构被压合后，平压强度维持在一个相对较低的平台上。分析表明：4个厂家的蜂窝板在老化年限为30 a以内，平压强度变化范围均没有超过设定的±15%的指标偏差，耐久性表现良好。当蜂窝芯排布更密实时，平压强度提高较为明显，同时平压后整体试件表现更好，能基本保持方形。随着老化时间的提高，蜂窝板的平压强度总体上呈现下降趋势，在老化年限25 a内，各系列强度下降较小，且有部分系列强度甚至提高，设计使用年限定为25 a较为合理。由于不同厂家的产品因胶黏剂成分和制备方法的差异，不同厂家的力学性能表现差异较大。分析方法和试验结果论证了蜂窝芯层结构在实际使用前的使用寿命预测的必要性和可行性。
2020, 35(8): 24-32.
doi: 10.13206/j.gjgS20051001
摘要:
钢-UHPC组合梁是将钢梁与UHPC翼板通过剪力连接件连接而成的一种新型组合梁。对比于钢-普通混凝土组合梁，钢-UHPC组合梁的桥面板厚度由于UHPC的超高强力学性能而大为降低，从而显著减小了组合梁自重荷载，增强了组合梁跨越能力。由于UHPC具有较高抗拉强度和较强微裂缝自愈合能力，钢-UHPC组合梁一定程度上改善了钢-普通混凝土组合梁负弯矩区桥面板在外部荷载及效应作用下极易开裂和耐久性不足等问题，从而较大提升了组合梁安全使用性能，在确保结构良好耐久性的同时降低了后期维护成本。目前，已有文献针对钢-UHPC组合梁精细化力学模型及其数值分析开展研究较少，由于UHPC材料的复杂性，迄今尚无统一的理论模型可全面描述UHPC材料的本构关系。
为建立钢-UHPC组合梁精细化数值模型，并在此基础上系统分析钢-UHPC新型组合梁抗弯性能，基于UHPC单轴拉压本构推导了UHPC损伤因子，采用ABAQUS有限元程序建立了受弯破坏实例钢-UHPC组合梁损伤力学数值模型，对比数值计算与试验梁力学性能分析了数值模型的适用性，以UHPC翼板厚度、腹板高厚比、下翼缘厚度为主要结构参数，分析了36根钢-UHPC数值模型组合梁全过程抗弯破坏的力学性能。
模型验证分析表明：在破坏阶段前，数值计算荷载-位移曲线与试验曲线响应趋势吻合良好；在破坏阶段后，与试验梁的迅速破坏不同，模型梁展现出了良好的延性性能，数值计算获得了更为完整的荷载-位移破坏阶段与下降段曲线；数值计算损伤演化及损伤分布与试验结果较为吻合。总体上，所建立数值模型能够准确模拟钢-UHPC组合梁全过程破坏行为，真实揭示UHPC翼板损伤过程中应力、应变场转移及开裂、压溃演化特征。抗弯性能分析表明：单位用钢量下，与增大下翼缘厚度相比，增大腹板高厚比对组合梁抗弯承载力提高更大，而增大UHPC翼板厚度对组合梁抗弯承载力提高相对较小；增大下翼缘厚度可显著提高钢-UHPC组合梁弹性抗弯承载力与极限抗弯承载力比值，但同时会一定程度上降低组合梁延性能力。在满足延性需求的前提下，可通过变化下翼缘厚度有效调整组合梁不同弯曲受力阶段抗弯承载力分配，从而满足结构不同承载性能需求。
钢-UHPC组合梁是将钢梁与UHPC翼板通过剪力连接件连接而成的一种新型组合梁。对比于钢-普通混凝土组合梁，钢-UHPC组合梁的桥面板厚度由于UHPC的超高强力学性能而大为降低，从而显著减小了组合梁自重荷载，增强了组合梁跨越能力。由于UHPC具有较高抗拉强度和较强微裂缝自愈合能力，钢-UHPC组合梁一定程度上改善了钢-普通混凝土组合梁负弯矩区桥面板在外部荷载及效应作用下极易开裂和耐久性不足等问题，从而较大提升了组合梁安全使用性能，在确保结构良好耐久性的同时降低了后期维护成本。目前，已有文献针对钢-UHPC组合梁精细化力学模型及其数值分析开展研究较少，由于UHPC材料的复杂性，迄今尚无统一的理论模型可全面描述UHPC材料的本构关系。
为建立钢-UHPC组合梁精细化数值模型，并在此基础上系统分析钢-UHPC新型组合梁抗弯性能，基于UHPC单轴拉压本构推导了UHPC损伤因子，采用ABAQUS有限元程序建立了受弯破坏实例钢-UHPC组合梁损伤力学数值模型，对比数值计算与试验梁力学性能分析了数值模型的适用性，以UHPC翼板厚度、腹板高厚比、下翼缘厚度为主要结构参数，分析了36根钢-UHPC数值模型组合梁全过程抗弯破坏的力学性能。
模型验证分析表明：在破坏阶段前，数值计算荷载-位移曲线与试验曲线响应趋势吻合良好；在破坏阶段后，与试验梁的迅速破坏不同，模型梁展现出了良好的延性性能，数值计算获得了更为完整的荷载-位移破坏阶段与下降段曲线；数值计算损伤演化及损伤分布与试验结果较为吻合。总体上，所建立数值模型能够准确模拟钢-UHPC组合梁全过程破坏行为，真实揭示UHPC翼板损伤过程中应力、应变场转移及开裂、压溃演化特征。抗弯性能分析表明：单位用钢量下，与增大下翼缘厚度相比，增大腹板高厚比对组合梁抗弯承载力提高更大，而增大UHPC翼板厚度对组合梁抗弯承载力提高相对较小；增大下翼缘厚度可显著提高钢-UHPC组合梁弹性抗弯承载力与极限抗弯承载力比值，但同时会一定程度上降低组合梁延性能力。在满足延性需求的前提下，可通过变化下翼缘厚度有效调整组合梁不同弯曲受力阶段抗弯承载力分配，从而满足结构不同承载性能需求。
2020, 35(8): 33-56.
doi: 10.13206/j.gjgS20052506
摘要:
螺栓连接具有传力可靠、施工方便、可拆装等优势，是钢结构连接的主要形式。目前装配式钢结构和装配式组合结构的现场施工安装主要采用螺栓连接。美国钢结构协会颁布的AISC 360-16《建筑钢结构设计规范》和中国标准GB 50017—2017《钢结构设计标准》对钢结构螺栓连接形式、材料性能、承载力计算方法、构造要求都做出了详细规定。分析和比较了GB 50017—2017和AISC 360-16在螺栓连接设计规定方面的差异性和相近性，为钢结构设计人员准确理解及应用GB 50017—2017和AISC 360-16提供了参考，同时对进一步改进和完善GB 50017—2017提出了建议。主要内容包括：
1）AISC 360-16和GB 50017—2017根据螺栓材料不同分成普通螺栓和高强度螺栓，中国的普通螺栓常采用4.6级和4.8级，也称为C级螺栓。美国ASTM A307标准规定的螺栓相当于4.6级或4.8级普通螺栓。中国的高强度螺栓有8.8级和10.9级，分为大六角头螺栓和扭剪型螺栓。美国的高强度螺栓也分为大六角头和扭剪型，ASTM A354标准规定的BC级螺栓相当于8.8级螺栓、BD级螺栓相当于10.9级螺栓。ASTM F3125/F3125M标准规定的A325级和A490级螺栓也相当于8.8级和10.9级，ASTM F3111和ASTM F3043标准还规定了抗拉强度等级为1 380 MPa的高强度螺栓，其强度等级高于中国的12.9级螺栓。
2）AISC 360-16和GB 50017—2017中设计普通螺栓连接时都不需要施加预拉力，安装时手动拧紧即可。GB 50017—2017规定采用高强度螺栓时必须施加设计规定的预拉力，AISC 360-16允许结构设计人员决定对高强度螺栓是否施加预拉力。AISC 360-16规定的螺栓预拉力值比GB 50017—2017的规定值约大15%。
3）AISC 360-16和GB 50017—2017中设计螺栓连接时分别考虑螺栓连接受剪、螺栓连接受拉、螺栓连接受拉剪联合作用的受力状况。当螺栓连接受到剪力作用时，普通螺栓按承压型连接设计，高强度螺栓可以按承压型连接设计或摩擦型连接设计，按照摩擦型连接设计的高强度螺栓必须施加规定的预拉力值并确定接触面抗滑移系数。GB 50017—2017规定的抗滑移系数与接触面表面处理方法和连接钢板的强度等级有关，而AISC 360-16规定抗滑移系数只与接触面表面处理方法有关，AISC 360-16和GB 50017—2017的抗滑移系数取值基本接近，都在0.3~0.5范围内。
4）AISC 360-16和GB 50017—2017对螺栓连接的螺栓排布和构造要求都做出了明确规定，要求限制螺栓孔的最大和最小端距和边距，限制螺栓孔的最大和最小间距。AISC 360-16和GB 50017—2017规定了标准螺栓孔径比螺栓直径大2~3 mm的匹配要求，并允许按摩擦型连接设计的高强度螺栓采用大圆孔或槽孔。
5）在计算不同受力状况的螺栓连接承载力时，AISC 360-16和GB 50017—2017都要求分别计算螺栓的承载力和连接板的承载力。对于承受剪力作用的长螺栓接头都要考虑螺栓内力分布不均匀的影响，对抗剪承载力进行适当折减。
螺栓连接具有传力可靠、施工方便、可拆装等优势，是钢结构连接的主要形式。目前装配式钢结构和装配式组合结构的现场施工安装主要采用螺栓连接。美国钢结构协会颁布的AISC 360-16《建筑钢结构设计规范》和中国标准GB 50017—2017《钢结构设计标准》对钢结构螺栓连接形式、材料性能、承载力计算方法、构造要求都做出了详细规定。分析和比较了GB 50017—2017和AISC 360-16在螺栓连接设计规定方面的差异性和相近性，为钢结构设计人员准确理解及应用GB 50017—2017和AISC 360-16提供了参考，同时对进一步改进和完善GB 50017—2017提出了建议。主要内容包括：
1）AISC 360-16和GB 50017—2017根据螺栓材料不同分成普通螺栓和高强度螺栓，中国的普通螺栓常采用4.6级和4.8级，也称为C级螺栓。美国ASTM A307标准规定的螺栓相当于4.6级或4.8级普通螺栓。中国的高强度螺栓有8.8级和10.9级，分为大六角头螺栓和扭剪型螺栓。美国的高强度螺栓也分为大六角头和扭剪型，ASTM A354标准规定的BC级螺栓相当于8.8级螺栓、BD级螺栓相当于10.9级螺栓。ASTM F3125/F3125M标准规定的A325级和A490级螺栓也相当于8.8级和10.9级，ASTM F3111和ASTM F3043标准还规定了抗拉强度等级为1 380 MPa的高强度螺栓，其强度等级高于中国的12.9级螺栓。
2）AISC 360-16和GB 50017—2017中设计普通螺栓连接时都不需要施加预拉力，安装时手动拧紧即可。GB 50017—2017规定采用高强度螺栓时必须施加设计规定的预拉力，AISC 360-16允许结构设计人员决定对高强度螺栓是否施加预拉力。AISC 360-16规定的螺栓预拉力值比GB 50017—2017的规定值约大15%。
3）AISC 360-16和GB 50017—2017中设计螺栓连接时分别考虑螺栓连接受剪、螺栓连接受拉、螺栓连接受拉剪联合作用的受力状况。当螺栓连接受到剪力作用时，普通螺栓按承压型连接设计，高强度螺栓可以按承压型连接设计或摩擦型连接设计，按照摩擦型连接设计的高强度螺栓必须施加规定的预拉力值并确定接触面抗滑移系数。GB 50017—2017规定的抗滑移系数与接触面表面处理方法和连接钢板的强度等级有关，而AISC 360-16规定抗滑移系数只与接触面表面处理方法有关，AISC 360-16和GB 50017—2017的抗滑移系数取值基本接近，都在0.3~0.5范围内。
4）AISC 360-16和GB 50017—2017对螺栓连接的螺栓排布和构造要求都做出了明确规定，要求限制螺栓孔的最大和最小端距和边距，限制螺栓孔的最大和最小间距。AISC 360-16和GB 50017—2017规定了标准螺栓孔径比螺栓直径大2~3 mm的匹配要求，并允许按摩擦型连接设计的高强度螺栓采用大圆孔或槽孔。
5）在计算不同受力状况的螺栓连接承载力时，AISC 360-16和GB 50017—2017都要求分别计算螺栓的承载力和连接板的承载力。对于承受剪力作用的长螺栓接头都要考虑螺栓内力分布不均匀的影响，对抗剪承载力进行适当折减。
