电弧增材制造T形件连接节点力学性能研究

电弧增材制造(WAAM)技术在结构工程领域有着广泛的应用前景,具有生产效率高、设备成本低、材料利用率高和环境可持续性等优点。为了探究WAAM碳钢T形件连接节点的力学性能,设计一系列共12组由WAAM碳钢T形件、高强钢(HSS)T形件和高强螺栓组成的连接节点试件,通过试验研究螺栓线位置与螺栓排列方式对试件初始刚度、破坏模式及极限承载力的影响。采用三维激光扫描技术测量WAAM碳钢T形件相关几何参数,采用数字图像相关技术(DIC)辅助测量了T形件连接节点在加载过程中的位移响应。结果表明:WAAM碳钢T形件具有较好的力学性能,当螺栓线与腹板翼缘连接处距离减小时,试件的初始刚度与极限承载力均呈上升趋势,而失效模式均为预期的翼缘破坏,且螺栓未发生断裂。通过对比试验结果和现有设计规程计算结果,对相关计算方法的适用性与准确性进行评估,发现现有设计方法高估了试件的初始刚度,对破坏模式的预测较为准确,但对极限承载力的预测偏保守。最后,对已有计算模型进行修正,修正后的计算模型对连接节点极限承载力的预测效果较好。

复式钢管混凝土T形件单边螺栓节点承载力研究

T形件单边螺栓连接节点应用到复式钢管混凝土结构中可充分利用双层钢管的截面特点,传力性能好且抗震性能高。对5个节点试件进行柱端水平往复加载试验并进行了数值模拟分析,试验中T形件因加肋方式不同出现了3种变形特征,而节点整体的破坏形态均为T形件屈服后钢梁塑性变形,数值模拟结果与试验结果吻合较好。根据试验和有限元结果分析了节点传力构件的受力机理,提出T形件受拉模型,分别计算T形件翼缘和加劲肋提供的抗弯承载力,从而得到节点的抗弯极限承载力计算公式,计算结果与试验结果误差较小,与数值模拟结果也十分相近。研究结果表明采用T形件受拉模型计算的节点承载力公式适用于T形件与单边螺栓强度相匹配的情况,T形件加肋形式对节点极限承载力影响最大,其次为T形件翼缘厚度,T形件腹板厚度影响很小;此外随着T形件翼缘厚度的增加节点承载力提高越来越小,故得出了单边螺栓直径与T形件翼缘厚度的最大临界值和最佳匹配值,为该节点工程应用提供理论参考和设计依据。

设置垫板的钢结构梁—柱T形件连接节点受力性能分析

梁、柱之间的连接节点是钢框架结构中的关键部位,传统T形件连接节点的设计思想是在框架梁中形成塑性铰,以此消耗能量,但节点破坏后修复非常困难,且成本较高。为此研究者提出了设置垫板的梁-柱T形件连接节点,该节点是一种新型节点,其主要特点是:将与梁下翼缘相连的T形件作为耗能元件,在T形件翼缘和柱之间设置垫板,使T形件翼缘能向正反两个方向发生弯矩屈服。梁上翼缘作为转动中心不发生较大位移从而保护主体结构不发生破坏,耗能元件位于梁下翼缘,易于更换,便于修复[1]。本研究针对设置垫板的钢结构梁-柱T形件连接节点受力性能进行了分析。通过理论分析和实验测试方法,评估了节点的强度和刚度性能。结合国内外设计准则和规范要求,提出了节点受力性能分析的流程和方法,研究结果对于设计者提供了有益的设计指导,提高了连接节点的设计质量和安全性。

高强螺栓T形件受拉连接设计方法研究

钢结构高强螺栓T形件受拉连接的设计需考虑撬力影响,设计方法比较复杂,欧洲EC3、美国AISC和中国JGJ82等规范的设计方法均采用T形件模型理论,设计原理基本一致,但高强螺栓抗拉承载力设计值取值不同,各参数及钢材强度设计值取值也略有差异,故其设计结果也存在一定差异。对中美欧规范高强螺栓T形件受拉连接设计方法进行了比较分析,结合试验结果和算例分析了各国规范设计结果的差异。并根据分析结果、美欧规范方法以及相关参考文献研究结论提出了我国JGJ82修正设计方法,使得设计结果在保证安全储备的前提下更加经济,并一定程度上精简冗长的设计计算过程,更加便于工程应用。

单边螺栓-T形件连接节点滞回性能试验研究

基于复式钢管混凝土双层钢管的截面特点,设计了单边螺栓-T形件连接节点,并对5个单边螺栓-T形件连接节点和1个穿芯螺栓-T形件连接节点进行了低周往复荷载试验。通过数字散斑相关方法(DSCM)得到了试件的弯矩-转角变化关系曲线。结果表明:试件滞回曲线均呈饱满Z形,节点破坏形态为T形件翼缘屈服后钢梁塑性变形,T形件因不同的加肋方式出现了三种变形特征。除了T形件翼缘厚度较薄且未加肋的试件为部分强度半刚性节点外,其余节点试件均为全强度半刚性节点;加肋T形件节点比无肋试件极限承载力提高了30%,但延性明显降低;对比穿芯螺栓-T形件连接节点,单边螺栓栓-T形件连接节点初始刚度略低、承载力相当,但变形能力明显提高,滞回性能得到改善;往复荷载下单边螺栓-T形件连接节点为拉压交替式工作,受拉螺栓能够得到较强的锚固连接强度,单边螺栓-T形件连接节点在复式钢管混凝土结构中传力可靠,结构整体性较好。

欧洲规范EC3高强螺栓等效T形件的有效长度及承载力研究

本文介绍了欧洲规范EC3中关于高强螺栓受拉连接等效T形件的三种破坏模式及等效受拉T形件三种破坏模式下的承载力公式。研究了柱翼缘带有背板加强的T形件的承载力公式,通过与无背板加强T形件的承载力比较得出:柱翼缘受拉螺栓孔位置设置背板能够有效地提高T形件翼缘的抗拉承载力,增大柱翼缘的抗弯能力。最后,研究了端板塑性铰线分布模式以及等效T形件有效长度的取值方法。

不锈钢T形件螺栓连接承载性能试验研究

通过开展14组不锈钢T形件螺栓连接试件的单调拉伸试验,得到了各试件的极限承载力、破坏模式和撬力发展规律,分析翼缘厚度、翼缘材料、螺栓直径和螺栓预拉力等因素对不锈钢T形件承载性能的影响。结果表明:螺栓预拉力对试件的极限承载力没有明显影响,但会提高试件的初始刚度;T形件的破坏模式取决于翼缘和螺栓的相对关系,与螺栓预拉力无明显关系;撬力值随着翼缘厚度和螺栓直径的减小而增大,但极限承载力对应的撬力值与螺栓预拉力无关。将试验结果与现行欧洲、美国和中国规范的计算结果进行比较,表明现行国内外规范的相关计算公式均较保守,其中美国规范由于翼缘采用极限抗拉强度,计算结果与试验值最为接近。

T形件连接初始刚度的理论计算模型

将T形件连接中的栓板单元简化为弹簧单元,考虑螺栓预拉力的影响,用带弹簧支座的连续梁模型模拟受拉T形件,推导出T形件连接的初始刚度计算表达式。通过与试验、有限元以及欧洲规范的对比,发现该表达式对无预拉T形件连接刚度的预测好于欧洲规范,对有预拉T形件连接也能得出较理想的初始刚度。

T形件加强型节点PEC柱-钢梁组合框架层间倒塌机理试验研究

为研究T形件焊接加强型节点卷边PEC柱-钢梁组合框架层间倒塌机理,按1:2缩尺设计制作了1榀组合框架中间层子结构模型试件并进行拟静力试验,从试件受荷过程分析了组合框架中间层子结构的滞回特性、承载力、抗侧刚度、耗能能力、变形模式和倒塌破坏机构等抗震性能.研究结果表明:T形件焊接加强型连接方式增强了节点连接的刚度,实现了梁塑性铰位置远离节点区和结构梁端塑性屈服耗能的设计目标;T形件预拉对穿螺栓连接有效实现了节点域混凝土斜压带传力模式,相应降低了节点区的抗剪需求,更好满足了"强节点"的抗震要求;试件沿高度刚度分布均匀,试件整体水平位移表现为理想的倒三角弯剪型变形模式;试件结构的破坏模式为中间层T形件端部梁截面形成塑性铰的塑性倒塌机构,对应层间剪切角和节点连接转角均超过大震层间侧移限值1/30,且试件承载力未出现明显下降趋势,试件结构具有良好的抗倒塌性能.

加劲T形件连接节点试验研究

为研究T形件连接中端板加劲肋的性能及对节点刚度和承载力的影响,对3组无加劲和6组不同形状和厚度的加劲T形件试件进行了单向加载试验研究.对节点承载力、端板相对变形、加劲肋和端板上的应变进行了测量,获得了荷载-位移曲线和关键部位的荷载-应变曲线.考察了不同形状和不同厚度加劲肋对节点刚度和承载力的影响,给出了加劲肋的设计方法.试验结果表明,工程中常用的端板加劲肋强度和刚度过低,达不到预想的加劲肋效果,而设计的加劲肋能够很好地满足规范所隐含的加劲肋使端板外伸部分由一边固支三边自由板变为两相邻边固支板的要求.

圆钢管混凝土柱高强单边螺栓T形件初始刚度计算方法

T形件作为半刚性钢框架梁柱节点连接的重要组件,其初始刚度对节点刚性的影响至关重要。目前,尚缺乏对圆钢管混凝土柱高强单边螺栓T形件初始刚度计算的研究。采用欧洲规范EN 1993-1-8中的组件法,以圆钢管混凝土柱高强单边螺栓T形件为对象,通过简化力学模型,分别给出了弧形端板的抗弯刚度、圆形柱翼缘壁的抗弯刚度、螺栓的抗拉刚度以及锚固钢筋的抗拔刚度计算公式。利用有限元软件ABAQUS,通过数值分析确定了重要影响参数,给出了可用于计算的系数曲线。提出了圆钢管混凝土柱高强单边螺栓T形件的初始刚度计算方法,给出算例以说明该计算过程,并通过试验验证了其准确性。研究表明,提出的计算方法可用于半刚性圆钢管混凝土组合框架的计算与分析。

镁合金T形件激光-TIG复合热源焊接

主要研究了激光-TIG电弧复合焊复合模式、热源间距(Dla)和激光脉冲参数对镁合金T形件成形的影响.研究发现TIG-激光的复合模式更有利于T形件的成形.在TIG-激光复合模式下,Dla随着焊接电流的提高而增加时会得到更大的焊接熔深,焊接电流为100 A,Dla为3 mm时可以得到良好的镁合金T形结构件焊缝成形.激光脉宽过小或过大都会对T形结构件焊缝根部的成形产生不良影响,脉冲较小时T形件立板与上板结合处的熔池金属极易产生过烧,从而导致焊接表面塌陷严重,甚至烧穿;脉冲过大时则造成立板与上板结合处熔化不足而产生不熔合现象.

方钢管柱-H型钢梁T形件单向螺栓连接节点性能研究

研究了在循环荷载作用下,一种新型的方钢管柱-H型钢梁T形件单向螺栓连接节点的破坏模式,以及构件对节点性能的影响。建立了节点的三维非线性有限元模型,以全尺寸梁柱连接节点拟静力试验数据进行了验证。通过参数分析,探讨了柱壁厚度、梁翼缘厚度和腹板削弱程度对新型节点的滞回曲线、骨架曲线、耗能等性能指标的影响。结果表明:循环荷载作用下新型节点滞回曲线呈"梭形"且较饱满,不同参数的节点均具有良好的耗能能力。通过增加柱壁厚度,节点的极限承载力和初始转动刚度增加。但柱壁厚度超过14mm时,单向螺栓和T形件成为节点失效的控制因素;梁不是这种新型节点的薄弱部位,对梁翼缘和腹板进行合理开孔削弱,节点的滞回性能、极限承载、刚度和耗能能力均无显著降低。

钢管混凝土柱T形件抗震性能试验及数值模拟

为获悉钢管混凝土柱T形件在地震作用下的破坏机理和力学性能,本文进行6个采用单边螺栓的钢管混凝土柱T形件的受拉循环往复加载试验。试验参数包括柱截面类型、钢材型号、端板形状和端板厚度。详细地分析新型T形件的破坏模式、滞回曲线和骨架曲线等。根据欧洲规范EC3的组件法,提出了钢管混凝土柱T形件的力学理论模型和螺栓刚度模型。利用ABAQUS有限元程序对此类新型T形件进行非线性全过程受力分析,考察了试件的破坏形态,试验结果验证计算模型的准确性。研究表明,热轧钢管混凝土柱T形件具有良好的抗震性能、延性和耗能能力;对于冷弯薄壁钢管混凝土柱T形件采用合理的构造措施和钢管厚度,能有效地提高其抗震性能及延性。

钢管混凝土柱T形件连接的抗拉承载力研究

T形件是钢管混凝土框架梁柱半刚性连接节点的重要组件,其抗拉承载力计算会影响到梁柱节点的抗弯承载力计算。根据欧洲规范的EC 3组件法,总结了T形件的3种塑性失效模式,并提出了钢管混凝土柱T形件各部件承载力计算方法。根据不同的失效模式和屈服线理论,确定了矩形或弧形端板控制的T形件抗拉承载力计算公式,利用柱腹板壁约束简化模型和柱壁破坏机制确定了柱翼缘壁控制的T形件抗拉承载力计算公式。采用算例说明其计算过程和计算精度。通过试验验证了所提钢管混凝土柱T形件连接的抗拉承载力计算方法的准确性。

高强钢T形件单向受拉力学性能试验及有限元研究

设计了10个高强钢T形件的单向拉伸试验,分别研究了螺栓直径、螺栓线距、螺栓端距和钢材强度对T形件受拉力学性能的影响,试验结果表明:在试验参数范围内,T形件共产生螺栓破坏、联合屈服和翼缘屈服三种破坏模式;增大螺栓直径会显著提高T形件的初始刚度、屈服荷载、极限承载力和极限变形;增大螺栓线距有利于提高T形件的变形能力,但初始刚度、屈服荷载和极限承载力会有所降低;增加螺栓端距能小幅提高T形件的屈服荷载、极限承载力和极限位移,但对初始刚度影响不大;钢材强度对T形件的屈服荷载和极限承载力影响较大。另外,在ABAQUS软件中建立了T形件的有限元分析模型,利用10个高强钢T形件和其他学者的试验数据验证了模型的可靠性,最后研究了翼缘厚度、单侧螺栓间距、螺栓规格以及预紧力等参数对高强钢T形件受拉力学性能的影响,参数分析结果表明翼缘厚度是影响T形件受拉力学性能的关键参数,而单侧螺栓间距和螺栓规格的影响较小,预紧力对T形件的初始刚度有较大影响。研究结果可为高强钢T形件的设计施工、规范制定提供数据参考和设计指导。

方钢管混凝土柱-钢梁T形件连接节点耐火性能数值分析

为研究方钢管混凝土柱-钢梁T形件连接节点的耐火性能,通过验证已有试验,在模型可靠的基础上,建立了节点在钢梁下翼缘以下区域受火及钢梁上翼缘以上区域受火两种工况下耐火极限有限元计算模型。分析了在两种受火工况下柱端火灾荷载比、梁端火灾荷载比、梁柱线刚度比对节点耐火极限、破坏模态的影响。结果表明:当节点钢梁下翼缘以下区域受火时,随着升温时间不断增长,下T形件翼缘及腹板温度梯度逐渐消失,由于混凝土的热惰性,穿心螺栓螺杆沿杆轴方向温度梯度较为明显。当节点钢梁下翼缘以下区域受火时,钢梁整体表现为向上翘曲变形,呈现凹字形。当钢梁上翼缘以上区域受火时,钢梁整体表现为向下弯曲变形,呈现凸字形。在两种受火工况下,节点在三种柱端火灾荷载比下的破坏模态差别显著。在相同的受火时间下,节点转角随着梁端火灾荷载比的增大逐渐增大,且节点在钢梁以上区域受火工况下的节点转角明显大于节点在钢梁以下区域受火工况下的转角。

设置垫板的钢结构梁柱T形件连接节点滞回性能的有限元分析

在设置垫板的新型钢结构梁-柱T形件连接节点抗震性能试验的基础上,应用有限元软件ABAQUS对此节点进行滞回性能分析。数值模拟与试验结果分析表明:两者吻合较好。利用有限元模型研究几何参数和物理参数对此节点滞回性能的影响,分析结果表明:下部T形件翼缘厚度、梁高和下部T形件翼缘上螺栓的竖向间距对节点的滞回性能影响较大,垫板宽度只影响此新型节点的受压性能。

T形件焊接加强型连接新型PEC柱-钢梁组合框架结构抗震性能数值模拟

利用ABAQUS对1榀两层单跨设置预拉对穿螺栓T形件焊接加强型连接新型卷边PEC-钢梁组合框架结构试验试件进行水平低周往复荷载下的抗震性能数值模拟。并对试件结构的滞回性能、水平抗侧刚度退化、节点连接性能、耗能性能、层间传力机理和破坏模式等抗震性能进行分析。结果显示:试件具有较高的承载能力和较大的初始抗侧刚度,且上下层初始抗侧刚度相差较大,随着加载导致试件损伤不断发展,上下层刚度逐渐衰减而趋向一致;试件下层受压PEC柱承担层间水平剪力60%,而上层层间剪力由PEC柱平均分担,且试件层间变形表现为剪切型模式;T形件焊接加强型连接实现了梁端塑性铰区远离节点区、节点区混凝土斜压带传力模式和节点连接部分自复位功效的设计目标,更好地满足了"强柱弱梁"的抗震要求;试件耗能主要通过PEC柱脚混凝土压溃与钢骨架屈服和T形件端部梁截面屈服来实现,且上下层耗能基本一致;试件结构最终破坏模式为T形件端部梁截面充分屈服和PEC柱脚部位钢骨架屈服与混凝土压溃形成塑性铰的塑性破坏机构,表明试件结构具有良好的延性及较好的抗震性能。

T形件初始抗弯刚度简化计算研究

通过已有的高强螺栓连接T形件试验和有限元分析对比,验证了有限元模型的有效性。在此基础上,根据有限元和理论分析,简化得到T形件初始抗弯刚度力学模型,给出了在弹性阶段T形件的有效长度计算表达式,得到了T形件初始抗弯刚度计算公式。最后,选取了考虑T形件翼缘宽度、翼缘厚度、螺栓直径、螺栓等级和螺栓间距等因素变化的35组试件进行有限元参数化分析,将初始抗弯刚度理论计算结果与有限元计算结果进行比较,误差大部分在15%以内,验证了理论计算公式的有效性。