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当期目录

2021年 第36卷  第1期

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综述
钢结构高强度螺栓连接技术新进展
侯兆新, 龚超, 张艳霞, 梁梓豪, 梁伟桥, 方五军
2021, 36(1): 1-12. doi: 10.13206/j.gjgS20081901
摘要:
高强度螺栓连接是钢结构现场连接的主要方式之一,在工程中广泛应用。随着科技的进步,高强度螺栓连接技术不断发展,高强度螺栓的新品种、新技术、新工艺、新设备不断涌现。对高强度螺栓连接技术新进展进行调查研究、总结概括,可以为高强度螺栓标准规范的修订提供参考,为设计、施工提供更多选择。高强度螺栓新品种主要包括12.9级及以上高强度螺栓、单向螺栓和环槽铆钉螺栓。目前国内对12.9级及以上高强度螺栓、单向螺栓和环槽铆钉螺栓进行了一定研究和工程示范,由于缺乏相关的标准规范支持,制约了其工程应用。针对高强度螺栓的新工艺调研了高强度螺栓预拉力指示器和防腐蚀技术,从这两种工艺的特点出发,对比分析了国内外学者的相关研究成果。新式预拉力指示器避免了传统预拉力指示器的人为施工误差,能够提高高强度螺栓预紧力施工的精确度;高强度螺栓镀锌防腐技术可以有效减缓螺栓腐蚀,减少后期维护保养。
国内外对于高强度螺栓连接设计方法存在差异,将国内外的标准规范进行比较,能够为现有规范的修订提供参考。国内外规范中关于螺栓撬力计算方法、最小螺栓预拉力、摩擦型高强度螺栓和承压型高强度螺栓的承载力计算方法的对比表明:1)中国规范中螺栓撬力的计算结果较为保守。2)中国规范中高强度螺栓预拉力规定值比美国规范规定值平均约小15%,比欧洲规范规定值平均约小10%。3)各国规范关于摩擦型高强度螺栓的抗剪承载力的计算式基本一致,但对于接触面处理方法的定义及对应的抗滑移系数的规定则各不相同。4)对于承压型高强度螺栓的孔壁承压强度,按照美国规范计算得到的承压强度最大,欧洲规范次之,中国规范最为保守;对于承压型高强度螺栓的抗拉和抗剪强度,按照欧洲规范计算得到的设计值最大,美国规范次之,中国规范最小。总体上,中国规范较国外规范保守。
科研
高效装配钢框架-开缝钢板剪力墙结构性能分析
张艳霞, 张爱林, 侯兆新, 庞占洋
2021, 36(1): 13-33. doi: 10.13206/j.gjgSE20061101
摘要:
近年来,地震灾害频发,传统钢结构建筑震后残余变形大,修复困难,而自复位结构实现了震中微损、震后无需修复或稍加修复即可继续使用的抗震目标,受到国内外学者的广泛关注。近年提出的基于预应力技术和螺栓连接的新型高效装配自复位钢框架结构体系,在与传统自复位钢结构体系相近功能的前提下实现了无需高空张拉、施工周期短的高效装配目标。在此基础上,提出高效装配钢框架-开缝钢板剪力墙结构并完成了结构拟静力试验研究。该结构主要由高效装配钢框架和开缝钢板剪力墙两部分组成,通过高强螺栓进行连接以实现高效装配,其中高效装配钢框架由钢柱和预应力钢梁组成,两者通过钢绞线和高强度螺栓进行连接。
利用ABAQUS有限元软件对高效装配钢框架-开缝钢板剪力墙结构试验进行数值模拟。高效装配钢框架结构中的钢柱、预应力钢梁以及钢板剪力墙等主体构件均采用C3D8R八结点六面体线性单元,预应力钢绞线采用T3D3三维三结点桁架单元,计算模型时考虑几何非线性和材料非线性的影响,数值模拟采用与试验一致的位移加载制度。试验与数值模拟在结构弹塑性层间位移角限值1/50时结束。
将数值模拟与试验结果进行对比分析,验证有限元分析方法的可靠性。同时将高效装配钢框架-开缝钢板剪力墙结构与没有设置开缝钢板剪力墙的高效装配钢框架性能进行对比,分析了两者的滞回曲线与耗能性能、刚度、自复位能力以及等效塑性应变,进一步研究高效装配钢框架-开缝钢板剪力墙结构的抗震性能和开缝钢板剪力墙的作用。
结果表明:数值模拟得到的滞回曲线、框架开口宽度等结果与试验结果吻合较好,能很好地模拟出节点开口闭合机制效果;高效装配钢框架-开缝钢板剪力墙结构具有良好的开口闭合机制和自复位能力,初始刚度高,耗能能力良好,侧向承载力较高;高效装配钢框架-开缝钢板剪力墙结构残余开口较小,试验过程中的最大索力远小于钢绞线屈服索力,高效装配钢框架除了柱脚处有轻微塑性,整体框架基本保持弹性状态,为结构承受更大地震作用提供良好基础。通过对高效装配钢框架-开缝钢板剪力墙结构与没有设置开缝钢板剪力墙的高效装配钢框架数值模拟结果进行对比分析可以看出,开缝钢板剪力墙可以有效提高结构的刚度和耗能能力,开缝钢板剪力墙屈曲耗能,很好地保护框架主体结构,从而在震后能够通过更换开缝钢板剪力墙快速恢复主体结构功能。
箱形钢柱螺栓连接节点试验研究
张艳霞, 侯兆新, 张爱林, 程梦瑶
2021, 36(1): 34-49. doi: 10.13206/j.gjgSE20061102
摘要:
以2013年全国建设工作会议为标志,国家及地方政府连续发文积极推进装配式建筑发展。积极发展、采用装配式建筑尤其是装配式钢结构建筑,实现其标准化设计、工厂化生产、装配化施工,符合国家政策要求,同时也是建筑行业的大势所趋。箱型柱因其两个主轴方向抗弯刚度相等而被广泛应用于钢结构建筑中,目前箱型柱基本上采用全熔透焊接连接技术,然而该技术存在施工效率低、人工成本高、污染环境、焊接节点在地震下破坏严重和现场焊接耐久性差等诸多问题。
基于上述亟待解决的关键问题,提出一种箱形钢柱螺栓连接节点。在该节点构造中,箱形钢柱上、下安装单元之间通过法兰板采用高强螺栓进行连接,为增强节点核心区性能,改善受力,在上、下单元关键位置处设置八边形芯筒。为保证芯筒和柱之间良好的协同工作性能,要求芯筒与柱壁之间间隙不超过2 mm,当加工精度不满足时,可采用两种措施进行补偿,即通过在芯筒和柱壁之间设置补偿板或增设自锁式单向螺栓来减少芯筒与柱壁之间的间隙,以保证芯筒和柱协同工作的性能。通过设计两个分别设置单向螺栓或补偿板的箱形钢柱螺栓连接节点,对其进行低周往复试验,进而研究箱形钢柱螺栓连接节点的受力性能并与传统全熔透焊接节点性能进行对比研究其刚性性能。
试验结果表明:芯筒的设置能够提供一定的抗弯、抗剪承载力,在层间位移角为0.005 rad(1/200)时与柱壁接触从而发挥作用,使箱形钢柱螺栓连接节点受力性能更优;层间位移角在0.04 rad(1/25)及之前时,设置补偿板箱形钢柱螺栓连接节点与设置单向螺栓箱形钢柱螺栓连接节点的滞回性能及刚度退化趋势接近;层间位移角在0.05 rad(1/20)时,设置单向螺栓箱形钢柱螺栓连接节点滞回性能优于设置补偿板箱形钢柱螺栓连接节点;在整个加载过程中,两种箱形钢柱螺栓连接节点均表现出良好的延性且设置单向螺栓箱形钢柱螺栓连接节点更优,同时,设置单向螺栓箱形钢柱螺栓连接节点能够明显降低螺栓拉力;设置补偿板箱形钢柱螺栓连接节点与设置单向螺栓箱形钢柱螺栓连接节点分别在层间位移角为0.05、0.06 rad时发生破坏,设置单向螺栓箱形钢柱螺栓连接节点能够承受更大变形,设计时可以根据不同需要进行灵活选用;箱形钢柱螺栓连接节点拥有与传统全熔透焊接连接相近的静力性能,在结构设计时可按刚接进行计算。箱形钢柱螺栓连接节点技术实现了钢结构体系的全螺栓刚性连接和高效装配,对促进建筑产业化升级,提高施工效率,减少环境污染,促进生态文明具有重大战略意义。
温度对高强度螺栓连接节点承载性能影响的试验研究
侯兆新, 龚超, 梁梓豪, 王罡, 姚志东
2021, 36(1): 50-59. doi: 10.13206/j.gjgS20081803
摘要:
高强度螺栓连接是钢结构现场安装的主要手段之一,高强度螺栓连接螺栓孔采用槽孔时对加工和安装误差适应能力更强,便于施工。目前对高强度螺栓槽孔节点的研究较少,对高温下高强度螺栓槽孔节点的研究更是空白。为此进行了14个高强度螺栓标准孔和槽孔连接节点在常温、130 ℃高温和200 ℃高温下滑移性能的试验研究,考虑了温度、孔型、螺栓直径等参数的影响,并利用高温应变计测量了高温下高强度螺栓预拉力。
结果表明:1)在20~130 ℃期间,温度对标准孔试件滑移荷载和滑移变形有影响,抗滑移荷载减少0.9%~4.3%;抗滑移系数降低7.5%~7.8%;螺栓预拉力松弛约22.4%。2)在130~200 ℃期间,槽孔试件滑移荷载和滑移变形变化较明显。相对于常温情况,130 ℃和200 ℃下M30螺栓滑移荷载分别减少9%和34%,抗滑移系数分别降低11%和7%;螺栓预拉力出现不规则变化。3)常温条件下,相对于标准孔,槽孔的滑移荷载和抗滑移系数要小,且对于直径较大的螺栓,槽孔的削弱较小。M20和M30螺栓槽孔滑移荷载分别比标准孔的低11.0%和4.0%,抗滑移系数分别比标准孔的低12.0%和10.0%。4)130 ℃温度下,相对于标准孔,M30槽孔的滑移荷载和抗滑移系数分别降低9.0%和13.0%,且对比常温条件,130 ℃温度下槽孔的削弱更大。5)槽孔会加大螺栓预拉力松弛,130 ℃温度下,M30标准孔节点螺栓预拉力松弛约-16.3%;而槽孔节点螺栓预拉力松弛约-30.7%,比标准孔高14.4%。6)在20~130 ℃期间,M30螺栓的抗滑移系数比M20螺栓的大约30.0%,说明连接刚度越大,标准试件抗滑移系数值越大;200 ℃温度下,M30螺栓的抗滑移系数比M20螺栓的反而小12.4%,表明M20抗滑移系数出现异常。7)130 ℃时,M20和M30螺栓预拉力松弛分别约28.4%和16.3%,说明连接刚度越大,螺栓预拉力松弛越小;随着温度提高至200 ℃时,M20预拉力呈明显下降趋势,下降幅度比130 ℃时要大,离散性也大,M30螺栓预拉力呈现有升有降的状况,没有明显的规律性。