不同連接方式的不銹鋼梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震

1、 不同連接方式的不銹鋼梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能有限元分析（小五黑）收稿日期：2010-7-22（小五宋） 基金項(xiàng)目：基金項(xiàng)目類別（編號(hào)）；基金項(xiàng)目類別（編號(hào)）作者簡(jiǎn)介：第一作者姓名（出生年），性別，職稱，學(xué)歷，主要從事哪方面研究.(如有附標(biāo)題，則為三號(hào)宋體)王元清1，喬學(xué)良2，賈連光2，張?zhí)煨?，蔣慶林4(1.清華大學(xué)土木工程系，土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；3.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；4.江蘇東閣不銹鋼制品有限公司，江蘇 鹽城 224212)摘 要：目的 研究國內(nèi)S316L不銹鋼材料梁柱栓焊連接節(jié)點(diǎn)

2、的承載性能及變形能力，比較不同種類螺栓(不銹鋼螺栓A4-80、A4-70及達(dá)克羅8.8級(jí))所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的差異.方法 考慮不銹鋼材料抗滑移系數(shù)較小，所以將摩擦型連接改進(jìn)為承壓型連接開孔受力，并分別對(duì)8 mm、12 mm、14 mm、16 mm的不同厚度不銹鋼板材進(jìn)行材性試驗(yàn)；通過數(shù)據(jù)處理得出材料精確的本構(gòu)關(guān)系，根據(jù)S316L不銹鋼材及3種螺栓材料本構(gòu)關(guān)系，采用高效精確的有限元模型對(duì)不銹鋼材梁柱節(jié)點(diǎn)在梁端施加循環(huán)往復(fù)荷載，進(jìn)行循環(huán)加載下的受力性能模擬分析.結(jié)果 延性系數(shù)最好的是達(dá)克羅8.8級(jí)所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，延性系數(shù)為4.2，另外兩種螺栓對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)基本相同，都達(dá)到4.1，模擬結(jié)果與試驗(yàn)

3、較符合.結(jié)論 3種螺栓對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)承載性能和抗震性能相差不大，綜合考慮金屬間腐蝕和價(jià)格等因素，建議選用A4-70螺栓應(yīng)用于不銹鋼梁柱栓焊節(jié)點(diǎn)中.關(guān)鍵詞：不銹鋼材料；梁柱節(jié)點(diǎn)；有限元模擬；承載性能；變形能力中圖分類號(hào)：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A FEM Analysis on Seismic Behavior ofStainless-Steel Beam-Column Connections withDifferent Link MethodWANG Yuanqing1,QIAO Xueliang2,JIA Lianguang2,ZHANG Tianxiong3,JIANG Qinglin4(1.

4、Department of Civil Engineering,Key Lab.of Civil Eng.Safety and Durability of China Education Ministry,Tsinghua University,Beijing,China,100084;2.School of Civil Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang,China,110168) Abstract： This paper presents a fast arc detection method which is used for

5、 scanned line-drawing graphics recognition. It is a by mapping the hypothetical arcs back into the original image according to the arcs circle parameters. This proposed method has the advantages that it can deal with the conditions of rupture, intersection and overlapping and it is robust and fast.

6、Key words：computer application; graphics recognition; arc detection; image skeleton; discrete curvature; line drawing隨著建筑物的構(gòu)造和用途的多樣化發(fā)展，許多大型公共建筑基于使用功能要求，要求結(jié)構(gòu)具有一定耐腐蝕能力和均勻的受力性能.而不銹鋼結(jié)構(gòu)憑借它自身的優(yōu)越性能受到了建筑結(jié)構(gòu)行業(yè)越來越多的關(guān)注1-3.在建筑結(jié)構(gòu)中梁柱節(jié)點(diǎn)作為建筑鋼結(jié)構(gòu)重要組成部分，在結(jié)構(gòu)整體承載力以及抗震性能方面都影響較大.但是我國在不銹鋼方面的研究主要集中于構(gòu)件和材料，對(duì)節(jié)點(diǎn)還未進(jìn)行相關(guān)研究，為了推廣不銹鋼的

7、應(yīng)用，對(duì)節(jié)點(diǎn)研究必不可少，特別是在普通碳素鋼結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用的梁柱栓焊節(jié)點(diǎn). 但是很多國內(nèi)外的大地震中普通碳素鋼結(jié)構(gòu)都在梁柱連接處的一級(jí)焊縫處發(fā)生脆性破壞9-10，抗震性能不是很理想.基于此，筆者通過應(yīng)用高延性的不銹鋼材料來探究節(jié)點(diǎn)的抗震性能，但由于未經(jīng)過處理的不銹鋼材料抗滑移系數(shù)太小11，節(jié)點(diǎn)采用不銹鋼鋼材給其研究帶來了新的問題.當(dāng)結(jié)構(gòu)采用不銹鋼材時(shí)，節(jié)點(diǎn)的延性會(huì)相應(yīng)提高，但同時(shí)不銹鋼的材料自身抗滑移性能較普通鋼差，可能會(huì)引起節(jié)點(diǎn)承載能力的降低.為了滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”12-14的抗震原則，需通過有限元軟件進(jìn)行分析來確定不銹鋼材節(jié)點(diǎn)承載力、節(jié)點(diǎn)剛度的大小及其延性和變形能力，并通過變換不同種

8、類的螺栓分析其對(duì)節(jié)點(diǎn)的承載性能和延性特征的影響.研究表明：3種螺栓對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)承載性能和抗震性能相差不大，綜合考慮金屬間腐蝕和價(jià)格等因素，建議選用A4-70螺栓應(yīng)用于不銹鋼梁柱栓焊節(jié)點(diǎn)中. 1 有限元模型1.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)梁柱節(jié)點(diǎn)模型所用S316L不銹鋼材的單調(diào)拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是在試驗(yàn)室進(jìn)行單調(diào)拉伸實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，實(shí)測(cè)得到的強(qiáng)度及彈性模量等力學(xué)參數(shù)如表1所示.表1 定位精度誤差Table 1 The positioning accuracy errorx/cmI/mAv/(ms-1)10302.512343.0(1)第一組試件中不銹鋼A4-80、A4-70及達(dá)克羅8.8級(jí)螺栓相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)剛度與承載力

9、都非常接近；三種形式節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布相差不大，應(yīng)力集中在梁翼緣與腹板焊接孔交界處及剪切板焊縫兩端.圖1 梁式橋結(jié)構(gòu)分解Fig.1 Structure decomposition of beam bridge (2)第二組試件中，普通栓焊與三面圍焊?jìng)z節(jié)點(diǎn)前期承載性能與延性性能都非常接近，在后期破壞前，三面圍焊表現(xiàn)出更好地延展性能.同第一組試件相似，應(yīng)力集中在梁翼緣與腹板焊接孔交界處及剪切板焊縫兩端.表2 定位精度誤差Table 2 The positioning accuracy error不同厚度S31606材料/mm彈性模量E/MPa泊松比v屈服強(qiáng)度fy/MPa極限強(qiáng)度fu/MPa極限應(yīng)變u/

10、%8203 3000.322151422.4112190 4070.322848623.9616193 9650.321249320.75圖3 梁、柱翼緣及腹板應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系Fig.3 The stress strain of beam column connection material可以看出：在第一組試件中，不銹鋼A4-80、A4-70和達(dá)克羅8.8級(jí)3種螺栓所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)循環(huán)加載下彈性階段的性能仍相當(dāng)一致，屈服后受力情況也較為相似，極限承載力和延性系數(shù)亦比較接近；第二組試件中，螺栓連接與剪切板三面圍焊?jìng)z節(jié)點(diǎn)循環(huán)加載下彈性階段的性能仍相當(dāng)一致，但是屈服后，三面圍焊節(jié)點(diǎn)的極限承載力與延性系數(shù)相

11、較于螺栓連接節(jié)點(diǎn)都有一定的提升. (1)試驗(yàn)中與模擬中節(jié)點(diǎn)發(fā)生屈曲的位置基本相同，都發(fā)生在構(gòu)造孔附近的梁翼緣板上；應(yīng)力集中部位發(fā)生在梁柱連接處的一級(jí)焊縫和梁翼緣與腹板間構(gòu)造孔處.(2)第一組中的3個(gè)試件SP-1SP-3在破壞前的承載性能在模擬與試驗(yàn)中相差不大，其中SP-3在試驗(yàn)中的承載力比預(yù)想的要大一些即要比SP-1和SP-2大一些，是因?yàn)榻橛谇?個(gè)試件的破壞形態(tài)，后期在試驗(yàn)前對(duì)第三個(gè)試件的焊縫進(jìn)行了補(bǔ)焊加強(qiáng).(3)第二組的兩個(gè)試件SP-5和SP-6在試驗(yàn)中的承載力比模擬中結(jié)果大，也是應(yīng)為后期對(duì)這兩個(gè)試件的焊縫進(jìn)行了補(bǔ)焊加強(qiáng)，但是三面圍焊試件破壞仍然發(fā)生在焊縫處，所以三面圍焊的方法對(duì)焊縫有更高

12、的要求. (4)兩組試件在有限元模擬結(jié)果中，承載力下降到85%后加載過程仍然在繼續(xù)，所以最終的極限位移要比試驗(yàn)中的大，再加上試驗(yàn)中是焊縫發(fā)生脆性斷裂，斷裂后就停止了加載，所以梁翼緣板并未充分發(fā)揮不銹鋼材料的優(yōu)越延展性，對(duì)焊縫加強(qiáng)后，節(jié)點(diǎn)的抗震性能還會(huì)有所提高. 2 結(jié) 論 (1)第一組試件中不銹鋼A4-80、A4-70及達(dá)克羅8.8級(jí)螺栓相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)剛度與承載力都非常接近，節(jié)點(diǎn)連接處的焊縫區(qū)域先于梁截面達(dá)到屈服；三種形式節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布相差不大，應(yīng)力集中在梁翼緣與腹板焊接孔交界處及剪切板焊縫兩端(2)第二組試件中，普通栓焊與三面圍焊?jìng)z節(jié)點(diǎn)前期承載性能與延性性能都非常接近，在后期破壞前，三面圍焊表

13、現(xiàn)出更好地延展性能同第一組試件相似，應(yīng)力集中在梁翼緣與腹板焊接孔交界處及剪切板焊縫兩端致謝（可選）：應(yīng)向?qū)φ撐挠袔椭挠嘘P(guān)人士或單位表示謝意。（正文五號(hào)楷體）參考文獻(xiàn)1 中華人民共和國建設(shè)部.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB500112010S.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2010.(Ministry of Construction of the PRC.Code for seismic design of buildings：GB500112010 S.Beijing：China Architecture & Building Press,2010.)2 ZHANG Y F, ZHAO J H, CAI

14、 C S. Seismic behavior of ring beam joints between concrete-filled twin steel tubes columns and reinforced concrete beamsJ. Engineering structures, 2012, 39(6):1-10.3 葉列平,馬千里,繆志偉.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì)方法的研究J.工程力學(xué),2010,27(12):102-113.(YE Lieping,MA Qianli,LIAO Zhiwei.Study on weak beamstrong column design method of RC frame structureJ. Engineering mechanics,2010,27(12):102-113.)4 ZHAO O,