模块化预制钢结构焊接接头的静力和抗震试验
摘 要
本文提出了一种用于模块化预制钢结构的梁柱节点，其中工厂焊接完成。 在静态和循环载荷作用下，对四个全尺寸节点静态，滞回性能，骨架曲线，延性性能，耗能能力，转动能力和静载性能进行了静力和抗震性能的模型试验和有限元分析。刚度耗散获得。 研究了桁架梁的弦长和腹板厚度对节点静态性能和抗震能力的影响，以及焊缝质量对节点各种性能的影响。 焊接梁柱节点的简化方程与实验结果相吻合。 研究表明，焊接质量显着影响焊接接头的失效模式和各种机械性能; 相同强度的焊缝符合静态强度要求，但难以满足弹塑性抗震要求。 接头的旋转刚度大，极限承载力高。 弦长末端的腋窝板的存在明显改善了接头的延性性能，能量耗散和塑性旋转能力。 减小桁架梁的弦和腹板厚度显着降低了接头的极限承载力，但它与截面面积不成线性比例，并且不显着影响延性性能和能量耗散能力。
目录
1.介绍
梁柱连接显着影响结构的承载力，变形能力和抗震性能。 现有研究主要集中在传统钢结构中各种接头的基本原理，试验和设计施工技术，如螺栓连接的腹板焊接接头[1]，加强腋窝板或肋骨板的关节[2]，悬臂梁连接[3]，带有锥形梁端的接头[4]，减梁节连接[5]，带槽孔的螺栓连接[6] 和带有网口的接头[7]。 预制钢结构的接头通常在工厂焊接并在现场与螺栓连接。 工业化程度高，施工速度快。 模块化的预制钢结构已经使用了很长时间; 但是，它主要用于低层轻型住宅建筑。 模块化预制多层或高层钢结构的研究和应用受到限制。 模块化预制多层或高层钢结构适合我国人口众多，资源有限的基本情况; 符合节能环保的“绿色建筑”发展趋势。 但在中国，设计和制造的模块化预制钢结构仍处于起步阶段，对这类结构中典型梁柱节点基本原理的研究很少。 此外，有效的设计方法很少。
本文提出了一种适用于预制钢结构的新型节点。 接头结构简单，承载合理，弥补了传统接头的缺陷：施工速度慢，现场焊接质量不高。 所提出的接头满足了在多层或高层钢结构中快速装配的需要。 在本文中，一个完整的模型实验和有限元分析，静态和准静态，进行了4焊接梁柱接头与ange拼接柱基。 通过静态试验获得静态承载力，损伤机理和接头转动刚度等性能。 通过准静态试验得到梁柱节点的弹塑性发展趋势，损伤模式与机理，耗能能力与延性性能。 此外，评估了桁架梁的截面尺寸对机械性能，损伤机理和塑性转动能力的影响，提出了提高预制钢梁柱节点的承载能力，抗震性能和有效设计方法的措施结构。 在北岭地震之前，焊接接头被认为具有足够的延展性和刚度以获得更好的抗震性[8–10]; 然而，许多类型的焊接在北岭地震期间接头断裂，使得焊接接头抗震性能的研究非常重要。
2.关节的结构
所提出的用于模块化预制钢结构的梁柱节点由柱基，垂直连接板，桁架梁和带有拱形的柱组成。 工厂中的桁架梁，立柱底座和垂直接头连接板焊接在一起; 立柱的上下端和立柱底座的高低端用高强度螺栓现场连接。 该结构在英寸显示图。1。 该色谱柱与色谱柱底座通过一个凸耳连接，这对于快速现场组装而言是非常重要的。 此外，天使充当柱的肋状加强筋，改善了接头的机械性能。 桁架梁用于减少钢材使用量，为管道设置提供空间并提高建筑物高度的利用率。
3.实验设计
3.1标本的设计
在桁架梁的末端施加单调荷载和循环荷载，并将箱柱固定在地面上。 为了评估桁架梁的截面尺寸对梁柱节点的影响，铸造了两组具有桁架梁的弦和腹板厚度的试样。 为了评估焊缝的效果，在样品H2的上下弦杆末端焊接腋窝板，并与没有腋窝板的H1进行比较。 如图所示图2（b），在连接处焊接一个三角形的腋窝板和弦和愤怒板的结尾。 使用的钢材是Q235B。 接头的几何尺寸如图所示图2，并列出成员的数量和维度表格1
3.2加载计划
这些测试是在北京工业大学土木工程结构测试中心进行的。 测试仪器显示在图3。 标本旋转90°，箱柱在两端固定在地面上。 使用水平止动螺栓来限制水平滑动。 该力由50t液压千斤顶施加在桁架的末端。 在静态加载试验中，试样受到单调拉伸载荷; 而在准静态负荷试验中，试样受到循环加载。
3.3测量计划
根据接头的设计和有限元分析的结果，测量点的布局如图所示图4。 将应变片放置在尖端并在弦杆和腹板的钢角的相同垂直截面处放置，以测量在测试期间构件的应变。 弦上的测量点标记为LXi; 网上的测量点标记为LFi; 柱，柱底和垂直接头连接板上的测量点被标记为Yi，其中仅指明了我图4。 1号水平位移计位于桁架梁的加载点处，用于测量梁端的位移变化; 2号水平位移计位于桁架梁靠近接头处，测量梁端弯矩和试件整体刚体水平位移引起的弦杆位移; 垂直位移计No.3和No.4位于接头附近的柱上以测量柱端的位移; 垂直位移计5号和6号位于相邻立柱底部的顶部和箱形柱的顶部，以测量左右两侧的相对滑动位移。
3.4加载系统
加载的终止标准包括以下三个方面：
（1）样本发生突然损坏或成员突然失去稳定性，导致负载不能更长的时间;
（2）超过束端theta;的总旋转
（3）梁端的载荷P达到极限值Pu并降低到Pu的80％以下。 静态测试采用单调加载，每个级别的荷载为1kN，直到试样失效。 在准静态测试中，屈服载荷fy和屈服位移Delta;y由静态测试确定; 整个加载过程由位移控制。 弹性阶段各级的位移为Delta;y/ 3,1个周期; 而塑性阶段的每个水平位移为Delta;y/ 2，每个水平有2个周期，直到试样失效[13]
4.实验过程
对于试件H1-J，当载荷大约为130kN，加载点的位移大约为6mm时，梁端的载荷 - 位移曲线出现转折点，表明试件达到了屈服载荷。 在这个阶段，没有出现明显的构件变形，焊缝也没有出现裂纹。 随着载荷的增加，在腹板A的靠近B弦的端部处出现轻微的向上变形。接近接头的弦A的端部呈现轻微的向内变形。 当梁端位移达到30mm时，听到压裂声，并且弦B端部的焊缝断裂。 负荷突然下降，但之后保持稳定。 当位移达到45mm时，试样变形明显; 目击了A网的显着局部弯曲。 而且，拉伸侧弦杆的焊缝断裂，加载无法进行继续，并停止测试。 样品H1-J的最终失效模式在
对于试件H1-N，当加载到plusmn;12毫米的循环时，弦A和B以及弦之间的焊缝处会出现轻微的断裂声和裂纹，如图图6（一个）。 其他成员没有见到屈曲等变形。 最后，听到一声巨响，垂直连接板断裂长时间的撕裂差距，如图所示图6（b）和（c）。 装载无法继续并停止测试。
对于带有腋窝板的试件H2-J，当加载点位移达到6 mm时，转动点出现在荷载 - 位移曲线上，试件进入弹塑性阶段。 随着载荷的增加，在网A处看到轻微的局部弯曲并且变得更加明显。 之后，发现弦A靠近腋窝板的显着向内弯曲，并且靠近加载点的弦的两个角钢相互闭合; 变形很大。 极限载荷达到210 kN，位移为41 mm。 Web A严重变形; 然而，整个试样没有发现焊缝断裂。 失效模式在图7.
对于带腋窝板的样本H2-N，加载到a 9mm周期，样品表现出可塑性; 在负载 - 位移曲线上出现了一个明显的转折点。 当加载到 12mm的第一周期时，在具有压缩的腹板A处发现轻微的局部弯曲。 当加载到-12mm的第一周期时，在靠近腋窝板的弦B处发现轻微的向内弯曲。 当进行 12mm的第二次加载循环时，在弦A处看到明显的向内弯曲，压缩接近腋窝板。 随着加载的继续，上述变形变得更加明显，并且两个腹板发生弯曲变形的局部稳定性损失。 当加载到-21mm的第二循环时，发现弦B的压缩的整体弯曲变形。 在连续加载的情况下，两个钢角的尖端向外漂移，钢角的背面向外突出并扭曲。 当试验停止在30mm时，在弦杆和腹板处发生严重的弯曲和扭曲，在弦B焊缝处和垂直连接板处出现局部屈曲和裂纹。 最终的失败模式在图8.
5.实验结果
在加载点处的屈服载荷Py，极限载荷Pu，最终破坏载荷P0.85，极限塑性转动载荷P0.05，屈服位移Delta;y以及最终位移Delta;u通过测试。 载荷 - 位移曲线表明，当达到极限承载能力时，载荷不会显着下降至极限载荷的85％。 在这种情况下，当测试停止时的相应负载被表示为P1，并且相应的位移是最终位移Delta;u。 样品H1-J和H2-J的数据列于表中表2和样品H1-N和H2-N中表3.
5.1负载 - 位移曲线
载荷点的载荷 - 位移曲线如图所示图9。 从中可以看出图9和表2试件H1-J的极限承载力优于试件H2-J，这表明桁架梁的弦和腹板厚度的增加提高了设计承载能力和接头的极限承载能力。 焊缝的质量显着影响焊接连接的延展性和能量耗散。 当试件H1-J达到极限载荷时，焊缝断裂导致承载能力急剧降低12％。 之后，承载能力保持稳定，直至承受能力由于大变形而丧失。 失败是可塑的。 当带有腋窝板的样本H2-J产生时，载荷没有显着降低; 它保持稳定。 随着变形量的增加，失效模式为塑性失稳，塑性变形阶段明显，分为延性破坏。 很明显，腋窝板的存在改善了关节的延展性
5.2滞后性能
通过准静态试验得到的P-Delta;滞回曲线表明了接头的抗震性能，包括弹塑性，延性，刚度和耗能，这是抗震性能评估的主要依据[14]。 这很明显图10（a）由于梁端和梁端之间的焊接接头突然断裂，试件H1-N的实测滞回曲线收缩，能量耗散较差。 然而，在有限元模拟过程中，由于忽略了焊缝断裂，滞回曲线充分，能量耗散良好。 因此，焊接质量是关节滞后性能的关键因素。 在角钢背面使
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