模块化预制钢结构现场螺栓梁柱节点抗震性能分析
---XuechunLiu,1,2,3XiaoxiongCui,1ZhiweiYang,1andXinxinZhan1
摘要：本文提出了一种适合通过模块化预制钢结构的现场螺栓连接。这种连接通过各种结构措施可以获得优良的延性。对六个不同参数的连接试件进行了拟静力试验和有限元分析，确定了节点的抗震性能（如滞回性能、骨架曲线、延性和破坏模式）。试验和有限元分析结果表明，在循环荷载作用下，接头发生了足够的塑性变形，其极限旋转角度可达0.09弧度。在连接破坏前，梁上形成一个明显的塑性铰，这表明延性破坏模式。这种连接具有很宽的磁滞回线，显示出良好的抗震性能。结果还表明，在小地震作用下，这种连接不会滑移，而且在中强地震作用下，在连接区滑移，以及在强地震作用下梁端的塑性变形时，能量可以通过滑移作用消散。螺栓的数量是影响连接抗震性能的主要参数。试验和有限元分析结果表明，六个试件均具有良好的抗震性能和延性性能，具有优良的塑性旋转能力。
简介
在上世纪九十年代以前，焊接和螺栓焊接连接被广泛使用，由于其高承载能力强、刚度、和成本效益。然而，在美国北岭地震和阪神地震期间日本淡路，脆性断裂发生在大量的这些类型的梁柱连接，这引起了许多高层钢结构破坏甚至倒塌。研究表明，循环荷载作用下焊缝的开裂会导致接头损伤，降低接头的刚度和强度，甚至导致接头的脆性破坏。自从这两次大地震以来，全世界的研究人员都进行了广泛的研究，并大大改进了焊接连接[1-3]。两种类型的措施用于改善这些连接，即减少和加强措施这两个措施是用来防止脆性断裂连接的移动塑料铰链远离连接焊缝。纳伊米等人[4]提出了一种新的低梁截面螺栓焊接连接，研究了梁腹板截面的深度和尺寸对连接性能的影响。李等人[5]和赵等人[6]研究了狗骨形连接、与长槽的缩短连接和扩大焊缝接。触孔的螺栓焊接连接，发现良好的焊接质量是防止连接件脆性断裂的主要因素。陈等人[7,8]研究了螺栓焊接端加强连接的抗震性能，提出了一种通过在梁柱表面形成塑性铰来加强梁端的方法。该方法能有效地改善地震时梁柱连接性能。但焊接工作量相对较大，焊接工艺复杂，焊缝质量难以保证，造成焊接连接不便。
现场螺栓梁柱连接可以现场快速装配。它们具有良好的塑性旋转能力和很好的延性，可以通过接缝处的滑移和塑性变形消散地震能量，从而减少地震对结构的破坏。AstanehASL[9]表明，高强度螺栓连接梁连接的设计应该是半允许滑高地震荷载作用下，从而耗散地震能量通过螺栓与螺栓孔壁之间的摩擦表面和压缩滑移。有两种类型的现场螺栓连接：刚性连接和变刚度连接。卡尔-刚性连接计算和分析是简单的，得到广泛使用。然而，刚性连接需要大量螺栓。相比之下，变刚度连接具有更高的耗能能力，只需要少量螺栓，因而更经济。刚性连接可以形成使用T-存根，里贝罗等人[10,11]开发和完善了分析程序，利用有限元分析（FEM）研究了T型接头在冲击载荷下的力学行为，确定了这些连接的损伤标量变量和等效塑性应变模式。他们比较了分析结果，三维（3D）有限元（FE）预测和实验结果的连接，并验证了实验和分析结果，胡等人[12,13]提出了一个力学分析模型的T型钢连接和验证使用有限元分析和模型试验。
端板连接是典型的变刚度螺栓连接。Dessouki[14]，普林茨等人[15]施等人。[16]通过试验和有限元分析研究端板梁柱节点的抗震性能。Tsavdaridis和帕帕佐普洛斯[17]分析大量的端板连接的梁被不同程度以及利用有限元分析软件其长度减少，确定各力学性能的连接在循环荷载作用下的。白等人[18]推导了一种新的端板连接的修正设计方法，并比较了各种规范中所规定的设计公式。他们分析了大量的模型，并证明了他们的修正设计公式是非常准确的计算在螺栓和端板的弯矩允许撬力。李等人[19]研究了轴向载荷和高温条件下平端板复合材料接头的力学性能。Navard等人[20]利用ABAQUS有限元软件对常用的几种刚性连接的行为进行了研究，其中包括端板连接、螺栓连接盖板连接和螺栓T形连接。方等人[21]提出了一种利用形状记忆合金螺栓形成外伸端板连接的方法。他们研究了各种不同的物理性质，这种连接提供了它的设计方法。MirzaieAliabadi等人[22]介绍了一个新的后张式T-存根连接(PTTC)，用于抗地震的钢结构母材(MRFs)，由高强度的后张(PT)股和螺栓的T-存根组成。他们还研究了基于参数研究的理论行为和提出的设计方法，并与分析结果进行比较。Faridmehr等[23]提出并研究了鞍袋连接。试验结果和有限元分析结果表明，所提出的连接具有足够的悬链作用，这是防止渐进式崩溃的基本标准。刘等人提出了几个新的平方垳架高速钢列连接适用于高层钢结构模块化、全焊接连接模块中使用[24],[25]螺栓焊接连接,和一些完全螺栓连接[26-29]用于连接不同的模块,并确定该连接的抗震性能从静态和准静态加载测试和有限元分析。他们[30]还设计和研究了一种模块化的预制钢框架结构，该框架结构采用倾斜支架，梁与柱之间的柱连接是由现场的螺栓进行的。然而，仍然缺少连接，特别是模块化的预制结构。胡等人[31]研究了预制和焊接在工厂柱上的端板螺栓的损伤行为、承载力、塑性角、延性和耗能能力。王等人[32]研究了一种新型预制连接钢管混凝土柱和钢梁的抗震性能。对不同参数的接头进行了低循环加载试验。于等人[33]对一种新型梁柱预制刚性节点的静态和滞后行为进行了有限元分析。研究了在伪静载荷作用下，螺栓的失效形式、螺栓数目、盖板的宽度和厚度以及悬臂截面对迟滞性能的影响。江等人[34]提出了预制结构的钢管混凝土柱与钢梁之间的自锁连接，并进行了有限元分析。张等人[35]在预制结构中采用了一种新型的方形HSS柱与桁架梁之间的一种新型接头的单调加载试验，并分析了该节点的刚度、强度和延性。马等人[36]用悬臂梁预制和焊接在工厂的柱上，进行了一个低循环重复加载试验，其中螺栓孔是装配方便的插槽。
这些螺栓连接具有良好的机械性能和抗震性能，施工速度快。尤其是预制结构，需要提出更多的新型螺栓连接方式，以加快施工速度，确保结构安全，螺栓布置、螺栓间距、螺栓孔尺寸、连接板厚度等需要更多的研究。本研究调查了连接H型钢梁与正方形HSS柱的螺栓连接。6个试件进行了低循环载荷试验和有限元分析，研究了该连接的抗震性能(滞回性能、骨架曲线、延性、旋转能力和刚度退化)，确定了影响其的关键参数。
2.连接结构
图1显示了在本研究中所研究的连接，用于连接两个梁板模块。连接端连接两个柱，钢梁、柱脚和夹板（板E）用螺栓连接。每个带有法兰的柱由一个钢柱和一个带有盖板的法兰组成。柱脚由法兰、短柱和垂直加劲肋组成。法兰、盖板、梁法兰、腹板等均采用螺栓孔。现场采用高强度螺栓连接。使用这种连接，两个相邻的梁板模块，梁板模块上面的柱子和它们下面的柱子连接起来。
组装后，用C60混凝土填充柱。该连接可用于模块化高层钢结构由基础上模块，柱和梁板模块（图2）。基础模块由钢筋混凝土制成。这种装配工艺可以在施工现场或工厂完成。预制上部结构通过基础上的连接连接到基础上。该柱模块是在工厂制造的，通过焊接方钢管柱到带盖板的法兰。梁板模块由柱脚、横梁和混凝土楼板组成。地板被倒进工厂，用螺栓连接在横梁上，在柱脚、法兰和横梁上制备螺栓孔。
3.试件设计
3.1试件设计
网站连接梁柱连接，如图2所示被选定为这项研究。200个times;12平方毫米的高速钢柱和300times;200times;8times;12毫米H型钢梁进行连接规格-总布置形式。除了梁，这是由Q235B钢，所有标本的部分采用Q345B、Q235B和Q345B钢的名义屈服强度为235MPa和345MPa，分别。根据《建筑抗震设计规范》和《高层钢结构技术规程》，用公式（1）对强柱弱梁原理进行了检验[37,38]。梁的塑性截面模量为843552毫米，637056毫米柱。柱上施加的轴向力为500Kn，是柱的面积，为1.1。本文中的连接由两列和一条梁组成。连接满足公式
- 甚至浇筑混凝土之前，混凝土浇筑C60后柱子也会更坚固。
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基于以前的研究[39]，各拐点之间的长度被选定为每个试样的梁和柱长度。图3显示了连接的详细尺寸。为了研究螺栓数量对盖板的影响、板的材料等级、板上螺栓孔直径对连接性能的影响，设计了两组试件（M1和M2），在保持梁柱截面不变的情况下，通过改变这些参数设计了两组试件（M1和M2）。M1组和M2组各有三个标本（以下简称M1标本和M2标本）。每个M1试样在盖板上装有八个螺栓，每平方米试样上有六个螺栓。表1列出了连接的基本参数。
3.2材料性能测试
根据规范规定的参数：金属材料室温拉伸试验[40]，用钢板的同一批被用来生产连接标本以确定其材料特性的钢板试样的制备。表2列出了材料性能试验的名义应力和应变。有限元分析中将应力和应变转化为实际应力和应变。为了测量钢板之间的摩擦系数，根据《钢结构施工质量验收规范》规定的要求和方法编制了高强螺栓连接试件（41）。摩擦表面进行喷砂处理，和10.9级高强度螺栓M20采用40Cr钢被用于连接件。试验结果表明，试样的摩擦系数为0.4。
4.试验方案
4.1.加载装置及方案
六个试样均进行了准静态加载试验。柱子的拐点位移受到限制，除了上柱轴线的位移外。横向支撑被用来约束梁的平面外运动。一个恒定的轴向压力为500KN的应用在塔的顶部，和一个低频率的循环载荷作用于梁的每端垂直于梁的轴线。图4显示了加载设备。采用液压伺服系统实现低频循环载荷。参照美国钢结构研究所关于结构钢建筑的抗震规定[42]，简化了加载顺序，因为即使在旋转角度小于0.01且弹性阶段的周期减少时，连接也处于弹性状态。然后，采用变振幅位移控制加载方式，通过旋转角控制加载。图5显示了加载机制。
4.2.应变计和位移计的布置
如图6所示，基于连接设计和有限元分析结果确定了梁柱连接试件上的测量点。为了测量节理区和相对应力较高地区的应变，应变仪主要分布在这一区域。
位移计W1被放置在加载点，在梁端测量梁端位移，与W1的布置如图4所示（B）。图6（a）显示了其他位移表的排列。位移传感器WS和WN站被放置在梁的凸缘，且指针被放置在盖板前玻璃板。位移计是用来测量盖板与上横梁法兰之间的滑动距离，和WN是用来测量盖板与下梁之间的滑动距离。
5.测试过程分析
5.1.试样M1的测试过程
实验观察到的低周期反复荷载标本M1a、M1b，类似的现象和M1C。图7显示试样M1A失效模式。一听到声音时，试件的旋转角度达到0.02弧度M1a周期（在正方向32毫米和37毫米的负方向）因为发生滑移盖板和梁之间的连接区域。整个加载过程伴随着断续的小声音，这表明盖板和梁法兰在加载过程中彼此相对滑动。目前–转角曲线试样M1A呈现锯齿状，这说明滑动阶段期间在梁端荷载几乎保持不变。弯矩是梁端的荷载乘以梁的长度，即连接所受的弯矩。转角等于梁端位移除以梁长。当旋转角度达到0.08弧度循环时，盖板上可观察到由螺栓引起的明显划痕，并开始扭曲。梁翼与盖板之间的最大滑移距离达到18mm，但各盖板左右两侧的滑移距离不同（图7（b））。此外，左梁翼缘进行大的屈曲变形，与梁腹板隆起（图7（c））。曲线显示承载能力下降，上一排螺栓孔发生缩颈变形。后取标本，清晰的划痕在梁翼缘和盖板之间的接触表面；此外，在上部排螺栓孔的边缘被发现已拉开，和螺栓孔在下两行被拉长（图7（d））。一听到声音时，试件的旋转角度达到0.02弧度M1周期（在正方向46.5毫米和38毫米的负方向）。对接头区域的检查表明盖板与梁法兰之间发生滑动。一个声音也听到当试样M1C转角达到0.015rad周期（32毫米和27毫米的正方向的反方向）。在盖板和梁法兰之间也发现了滑动。
5.2.试样M2的测试过程。
实验观察到的低周反复荷载标本M2a和M2b，类似的现象和M2C。图8显示了该失效模式标本。一听到声音时，试件的旋转角度达到0.015弧度M2A周期（23毫米的正方向和21在负方向），和滑移发生盖板与梁翼缘之间。此外，整个加载过程伴随着断续的小声音，这表明盖板和梁法兰在加载过程中彼此相对滑动。目前–转角曲线试样M2A具有锯齿形，并在梁端荷载滑移阶段大致保持不变。当梁端转角达到0.09弧度循环时，盖板上观察到螺栓明显的划痕，但没有扭曲。此外，梁翼缘与盖板之间的最大滑移距离达到19mm，盖板左右两侧的滑动距离相同（图8（b））。此外，左梁翼缘有轻微的屈曲变形，但腹板没有凸出。梁腹板和柱脚之间存在很大的间隙（图8（c））。曲线显示承载能力没有下降。在上排的螺栓孔被发现已经发生缩颈变形。后取标本，清晰的划痕在梁翼缘和盖板之间的接触表面；此外，螺栓孔的边缘被发现已拉开大大拉长（图8（d））；细长孔的M2大于M1。一听到声音时，试样M2b梁端转角达到0.015rad周期（在正方向17.8毫米和18毫米的负方向）。通过检查接头区域，发现盖板与梁法兰之间发生滑动。一个声音也听到在试样M2C梁端转角达到0.015rad周期（在正方向25毫米和25毫米的负方向）。发现盖板与梁法兰之间发生滑动。这种声音是由于钢件之间的滑移而产生的，可以通过在它们之间加入一块薄铜片消除，从而获得稳定的滑动能量耗散[43]。
6.测试结果与分析
6.1弯矩-转角滞回曲线
图9显示了六个试样的弯矩-转角滞后曲线。弯矩是梁端的荷载乘以梁的长度，即连接承受的弯矩。转角等于梁端位移除以梁长。标本M1a、M1bM2a和M2b，M1C，加载，直到达到0.09弧度的旋转角度，和试样M2C加载直到达到0.07弧度的旋转
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