Seismic Behavior of Diaphragm-Through Connections of Concrete-Filled Square Steel Tubular Columns and H-Shaped Steel Beams

Based on the introductions of a type of diaphragm-through connection between concrete-filled square steel tubular columns (CFSSTCs) and H-shaped steel beams,a finite element model of the connection is developed and used to investigate the seismic behavior of the connection.The results of the finite element model are validated by a set of cyclic loading tests.The cyclic loading tests and the finite element analyses indicate that the failure mode of the suggested connections is plastic hinge at the beam with inelastic rotation angle exceeding 0.04 rad.The suggested connections have sufficient strength,plastic deformation and energy dissipation capacity to be used in composite moment frames as beam-to-column rigid connections.

碳纤维板加固H型钢梁抗剥离夹具研制及应用试验

外贴碳纤维板是钢梁抗弯加固的常用方法,但其端部易因界面应力集中导致剥离破坏,严重影响高性能材料的有效利用,特别是结构加固后的安全服役.为此开发出一种适用于H型钢梁的简易夹具——C形槽板夹,以加强碳纤维板的端部锚固.通过多根带夹碳纤维板加固梁的静力加载试验,验证了此夹具的可靠性,并考察了碳纤维板伸入剪跨段长度与剪跨段长度之比及锚固方式(纯粘、端锚和混锚)对加固效果的影响.研究发现端锚加固不同于纯粘,只要梁的控制截面仍在夹具之间,碳纤维板的极限应力、加固效果及利用效率均随其长度缩短而提高,当碳纤维板长度分别为600、750 mm时,前者极限应变和承载力比后者分别高27.3%和8.1%.由于钢梁表面处理质量较差,混锚加固梁均发生突然剥离,后期退化为端锚加固梁,因而相比端锚加固梁加固效果改善不大,需要提高表面处理质量再做类似研究.尽管如此,相比纯粘加固梁,混锚加固梁采用C形槽板夹后剥离破坏被延迟,抗弯性能大为改善.试验过程中还用压电阻抗法对界面剥离情况进行了检测,结果符合实际.

T型钢连接方钢管柱-H型钢梁节点抗震性能分析

目的为了研究单边螺栓和T型钢连接的方钢管柱-H型钢梁节点的抗震特性,方法采用室内试验和数值模拟分析方法,对1∶2缩尺的边节点进行拟静力试验,并通过ABAQUS有限元软件进行数值模拟,综合分析边节点的滞回特性、承载力、刚度与耗能等力学特性。有限元分析变量为T型钢加肋、梁翼缘狗骨式和梁腹板开圆孔式。结果试验中,节点试件中连接件T型钢参与耗能且其变形最明显,梁、柱构件变形较小。塑性铰主要集中在连接构件T型钢上,T型钢腹板与翼缘交接处出现应力集中状态。试验弹性阶段,节点构件共同抵抗外部作用力。进入塑性阶段,节点损伤逐渐累积至T型钢,使T型钢最终产生塑性破坏而失效。有限元模拟中,T型钢加肋的形式对节点整体承载力影响最大,其中加3号肋的形式使节点承载力的增长量达到最大;梁翼缘狗骨式的形式对节点整体耗能能力影响最大,为44.01%。结论在T型钢上加肋板对节点的承载力和刚度提升较明显,对耗能能力影响不大;梁翼缘狗骨式和梁腹板开圆孔式均能提高节点的耗能能力,节点承载力和刚度基本不变;梁翼缘做狗骨式对节点抗震性能影响最显著。

焊接空心球连接H型钢Z字形螺栓节点静力性能研究

提出了一种新型焊接空心球连接H型钢Z字形螺栓节点(新型螺栓节点),该节点适用于全装配大跨度弦支穹顶结构体系上部网壳连接。该节点的弦杆采用热轧H型钢,方便栓接、施工便捷、制造能耗低,可以实现部品部件到体系的标准化。为了研究新型螺栓节点的静力性能,对该节点进行了轴压、轴拉、纯弯和压弯荷载工况下的有限元分析,研究了该节点在不同荷载工况下的破坏模式、承载力、刚度、延性等力学性能指标,对比分析了新型螺栓节点与焊接空心球连接H型钢焊接节点(焊接节点)的破坏模式和静力性能。研究表明,在轴压和压弯荷载下新型螺栓节点和焊接节点的极限破坏模式均为H型钢弦杆局部屈曲和屈服,在轴拉荷载下新型螺栓节点和焊接节点的极限破坏模式均为H型钢弦杆全截面屈服,在纯弯荷载下新型螺栓节点和焊接节点的极限破坏模式均为H型钢弦杆局部屈曲。新型螺栓节点可以实现塑性铰远离焊缝和拼接区,符合“强连接,弱杆件”的设计要求。

非对称翼缘H型钢组合梁设计的若干关键因素

非对称翼缘H型钢组合梁是一种优化的组合梁形式,可以提高组合梁的截面抗弯效率,减小工程量,降低碳排量。对非对称翼缘H型钢组合梁的最优截面解析解、截面抗弯效率的影响因素、承载力有效性以及抗弯刚度进行研究。根据荷载分布情况可以确定组合梁施工阶段与使用阶段抗弯承载力比值的限值,由此可以得到满足限值的上翼缘厚度百分比区间,此区间内的抗弯承载力最大值点即为设计控制点。根据上述成果提出了全新的非对称翼缘H型钢组合梁截面设计策略。结合实际工程,对组合梁的经济性进行验证,结果表明,非对称翼缘H型钢组合梁的经济效益显著。

H形钢梁弯曲滞回性能研究与数值模拟优化

为完善H形钢梁在纯弯曲荷载作用下的滞回性能的研究,对2类截面的H形钢梁增加一个多周滞回加载制度下的拟静力试验。此加载制度下的目标耗能量与此试件等幅升幅加载制度下达到峰值荷载时的总耗能量相等,因此对该试件的破坏模式、累积损伤和耗能规律进行分析,验证了原设想中存在的不影响滞回耗能的阈值低于0.02 rad。同时进行了有限元对比分析,对此试验已有模型进行了精细化处理。有限元分析中利用热塑性方法模拟了试件焊接残余应力的变化过程,从而在模型加载过程中引入残余应力的影响,使试件的初始刚度、翼缘局部屈曲发生的时刻、极限荷载后刚度退化有显著改善。

残余应力对建筑高强H型钢梁柱的承载力影响

在建筑领域中钢结构的残余应力是一个不可忽视的因素。为研究其对建筑高强H型钢梁柱的承载力影响,首先进行残余应力分析,确定不同轴屈曲时的临界应力。再将钢材本构关系划分为弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段,分析不同阶段的应力-应变关系。最后将梁截面划分为多个矩形块,根据平截面假定计算加固梁截面曲率,采用积分法求总弯矩,进而构建构件内部残余应力对承载力的影响模型。结果表明:残余应力对建筑高强H型钢梁和柱的影响均在翼缘两端最明显,且残余应力增加,H型钢柱承载力降低,残余应力越大,承载力下降越明显。

H形钢梁腹板开洞的有限元分析与研究

通过H形钢梁腹板开洞的有限元分析,研究了开洞、补强加劲板厚度、长度和半刚性连接对钢梁的承载力和变形能力的影响。结果表明:腹板开洞后,钢梁承载力和刚度显著减小,极限状态为空腹破坏;采用井字形加劲肋补强效果较显著,有效减小了洞口区域的应力集中,提升了结构的承载能力;钢梁承载力随加劲板厚和伸长边的增加而增加,但仅在一定范围内,增加幅度随变化量逐渐减小;相对于铰接,考虑实际体系的半刚性连接后,钢梁刚度和承载力均有所增加,主要控制因素变化为H形钢梁与柱的连接节点。

H型钢梁多机器人焊接工作站设计与仿真

针对H型钢梁人工焊接效率低、成本高、劳动强度大且对其自动化生产的研究较少的情况,通过分析其焊接过程,设计一种由两台焊接机器人和一台搬运机器人组成的自动化焊接工作站。利用SolidWorks设计了扩大机器人工作范围的第七轴和保证机器人运行轨迹与焊缝不发生偏离的焊缝自动跟踪系统,在数字化仿真软件Visual Components中搭建机器人焊接工作站布局,采用遗传算法规划最优焊接路径,利用仿真软件完成了编程与仿真。仿真结果表明所建立工作站布局的正确性。

拼接外套筒式方钢管柱-H形钢梁框架静力性能研究

为解决传统钢结构梁柱节点焊缝过多、现场施工复杂等问题,提出一种全螺栓现场拼接节点。采用该新型拼接外套筒式方钢管柱-H形钢梁装配式半刚性节点,设计和制作了一个单层单跨门式框架,并完成了梁跨中静力加载试验和有限元分析,考察框架荷载-位移曲线、应变发展规律、破坏模式和承载机制,并通过有限元参数分析,研究带肋角钢厚度及长边尺寸、框架柱距、梁上荷载分布形式、柱轴压比对框架静力性能的影响规律。结果表明:钢框架试件遵循“梁跨中-梁端部-柱及节点区”的变形和破坏顺序。梁跨中应变最大,发生严重屈曲,梁端部及节点区除局部出现轻微变形外,总体应变较小。增设带肋角钢可使梁端塑性铰外移,有效地保护节点区各部件,其上加劲肋的设置是影响框架整体静力性能的关键因素,而带肋角钢厚度及长边尺寸对承载力的提高效果有限。框架柱在高轴压比下,受压侧壁应力较大,建议对该部位进行重点关注并适当采取加强措施。

Flexural Capacity Formula of Diaphragm-Through Joints of Concrete-Filled Square Steel Tubular Columns

Finite element analysis and parametric studies were performed to investigate the flexural capacity of the panel zone of diaphragm-through joints between concrete-filled square steel tubular columns and H-shaped steel beams. Through the comparisons of failure modes, load–displacement curves, and bearing capacity, it was found that the flexural capacity of the panel zone of diaphragm-through joints was determined by the tensile action and influence of the web of H-shaped steel beams, and the axial load should be taken into account. The steel tube and the diaphragm were the major parts of the joint that resisted the bending moment. The contribution of in-filled concrete had little influence on the flexural capacity of the panel zone of the joint and could be neglected. According to the results of these numerical studies, a formula that considered the influence of the web of H-shaped steel beams and the axial load was developed based on the yield lines in the diaphragm and the steel tube. The results of the proposed formula were in good agreement with the numerical data of this investigation. © 2017, Tianjin University and Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

H形钢梁考虑有限翘曲约束刚度的扭转效应分析

为考虑半刚性连接对H形钢梁翘曲变形的有限约束,引入翘曲约束刚度的概念,提出介于简单支承和固定支承之间的半刚性连接H形钢梁约束扭转计算方法。结合数值算例,验证本文方法的正确性,详细分析翘曲约束刚度变化对翘曲正应力和二次剪应力的影响。研究结果表明:翘曲约束刚度引起的双力矩沿跨度呈线性变化,翘曲正应力随翘曲约束刚度的增大而减小,二次剪应力随翘曲约束刚度的增大而增大。

H形钢梁在弯扭荷载作用下的受力分析

现行《钢结构设计标准》(GB50017-2017)中没有“弯扭构件的强度及整体稳定”的内容,而工程中存在钢梁受弯扭荷载作用的情况,为研究H形钢梁在弯扭荷载作用下的受力机理,以某实际工程为案例,采用ANSYS实体模型对其进行有限元分析。首先,对某弯矩作用下静力手册计算结果与有限元计算结果进行对比,经分析两者吻合较好,说明所采用实体模型是合理的;然后,对实体模型施加特定的扭矩,以有限元计算结果为准,与采用静力手册及《钢结构设计规范》(GB50017-201X)所计算结果进行对比,经分析知,两者计算结果与有限元结果吻合较好,说明静力手册及《钢结构设计规范》(GB50017-201X)中计算方法是合理、可行的;接着,对弯扭荷载作用下,H形钢梁的受力机理进行了简要介绍;最后,对钢梁在受弯扭荷载作用下的设计及常用设计软件的后续升级提出了几点建议。

扁钢管柱-H型钢梁单边螺栓节点受力性能的参数化分析

对柱壁加强型无内加劲肋扁钢管柱-H型钢梁单边螺栓连接节点的构造开展参数化分析,研究不同梁柱线刚度比、不同端板厚度对节点受力性能及破坏模式的影响。研究表明:不同梁柱线刚度比的节点破坏模式差别较大,当梁柱线刚度比较小时,节点的失效模式为梁端屈曲,随着梁柱线刚度比的增加,失效模式逐渐转换为端板的屈曲;随着梁柱线刚度比的增加,节点的初始刚度、屈服时对应的承载力以及极限承载力均有所增大;随着端板厚度的增加,节点的抗弯性能逐渐改善,极限承载力和初始转动刚度均有所提升,但提升的幅度逐渐减小。

钢筋桁架混凝土叠合楼板的预制底板在H型钢梁上的支承长度分析

通过分析装配式钢结构住宅建筑中,钢筋桁架混凝土叠合楼板的预制底板,在H型钢梁上支承长度的下列影响因素:①在受力第一阶段,预制底板板端的局部承压;②预制底板的制作偏差;③预制底板的施工安装偏差;④在保证H型钢梁上两侧预制底板间,现浇混凝土浇筑质量的前提条件下,两预制底板间的最小距离;⑤施工过程中,在保证不漏浆的前提条件下,预制底板在钢梁上的最小搁置长度。同时针对钢筋桁架叠合楼板的预制底板在第一阶段板端的局部承压,采用有限元模型分析和《混凝土结构设计规范》中局部承压公式进行验算,确定满足局部承压所需的支承长度。最后提出了钢筋桁架混凝土叠合楼板的预制底板在H型钢梁上的支承长度的设计建议值。

方钢管混凝土柱-H型钢梁节点研究

方钢管混凝土柱-H型钢梁节点的结构性能影响钢管混凝土结构在住宅建筑中的推广和应用。在总结方钢管混凝土柱-H型钢梁铰接、半刚接和刚接节点类型的基础上,对目前常用的内隔板节点和新提出的外肋环板节点进行了理论分析与试验研究。基于屈服线理论推导了内隔板节点强度的计算公式,提出了基于静力平衡理论的外肋环板节点的强度计算公式。结合工程实践对这两种节点进行了静力拉伸试验,分析了节点的破坏机制。借助于试件的应变测量,研究了节点的应变分布规律和应力传递机制,得到了荷载位移曲线、节点的屈服强度和极限强度。理论计算结果与试验值分析比较表明,填充混凝土的内隔板节点和外肋环板节点具有较好的刚度和延性。

方形钢管柱与H形钢梁全螺栓连接抗震性能试验研究

新型全螺栓单边梁柱节点连接方式能够方便地将方形钢管柱与H形钢梁进行连接,具有现场安装方便,造价经济,变形能力和抗震性能均较好的优点,是轻钢结构中较为理想的连接方式。进行了两个柱壁厚度不同的方形钢管柱分别与H形钢梁组合节点的低周反复加载试验,研究了柱壁厚度对此类节点破坏形态以及抗震性能的影响,分析了节点的受力全过程,以及荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、刚度退化和耗能能力等抗震性能指标;同时结合现行规范,评价节点的刚性和延性。研究表明,柱壁厚度对节点承载力、刚度和耗能性能均有一定影响,新型连接方式的方形钢管柱节点属于半刚性全强度连接节点,具有良好的抗震性能和安全可靠的连接,延性较好。

方钢管混凝土柱与H型钢梁外环板刚接节点性能研究

通过对国标图集中方钢管混凝土柱与H型钢梁外环板刚接节点模型以及3组相应衍生模型的有限元计算分析,研究了外环板刚接节点在静力荷载下的受力性能以及影响节点刚接性能的各项因素.分析结果表明:现有标准节点偏于保守,外环板外伸宽度可减小约25%;增加外环板外伸宽度和增加外环板厚度均能提高节点弹性极限承载力,后者更加经济有效;随着钢柱壁厚的增加,柱角内侧环板应力增加,外侧环板应力减小,高应力区域向柱角内侧偏移,节点弹性极限承载力随板厚增加而提高,但增幅较小.有限元分析和近似试验结果比较表明,两者吻合良好,有限元分析能较好地模拟试验过程.

装配式钢结构H形钢梁-钢管柱连接节点的力学性能研究

为进一步研究装配式钢结构H形钢梁-钢管柱连接节点的力学性能,以装配式钢管柱-组合螺栓连接节点试件为研究对象,利用ANSYS有限元软件对其进行了低周往复荷载作用下的抗震性能数值模拟分析。基于数据的整理和对比,分析节点试件的破坏模式、耗能能力、承载力、延性、刚度退化等力学性能。研究结果表明:由于对穿螺栓具有将钢梁上、下翼缘轴力直传至钢管柱对面的作用,在循环往复荷载作用下,钢管柱柱壁均出现"对称凹屈"现象,随后以梁端出现塑性铰丧失承载能力而破坏;节点承载力较高且耗能能力强,等效黏滞阻尼系数平均大于0.4;具有一定的塑性变形能力,延性系数均在3.0以上,表明该节点具有良好的抗震性能;节点的屈服和极限承载力会随着内套筒厚度的增加而显著增加,但同时也会降低节点延性、增大节点刚度退化程度;梁翼缘与外伸端板组件采用高强度螺栓连接会降低节点承载力和延性,增大耗能能力。研究成果将为装配式钢结构H形钢梁-钢管柱连接节点的研发和相关工程应用提供参考。

考虑剪切变形及转动惯量的H型钢梁自由振动

以3种典型热轧H型钢截面简支梁为研究对象,分别采用初等梁理论模型和考虑剪切变形及转动惯量影响的高等梁理论模型,分析在不同长细比情况下H型钢截面简支梁前3阶自由振动频率的差异,得出了初等梁理论进行H型钢梁自由振动分析的适用条件,该结论可供结构动力分析及动力设计参考。