冷弯薄壁型钢节点静力性能研究

冷弯薄壁型钢结构体系性能优良,节点是作为该结构体系的核心部分,对结构体系性能的充分发挥起到了关键作用.与焊缝连接相比,自贡螺钉连接施工方便,不会产生“漏焊”、“焊穿”、“焊接残余应力”等问题.本文针对3个自攻螺钉连接冷弯薄壁型钢节点进行研究和分析,为工程实践提供参考.

1 试件及试验

1.1 试件制作

采用冷弯薄壁C型钢按1∶1足尺制作模型进行试验.各节点形式及相关尺寸如图1～图3所示[1-3].自攻螺钉采用强制离合器式电动螺钉枪施工.

1.2 板材和螺钉

制作试件所用钢材厚度为2.45mm,自攻螺钉直径为12 mm，自攻螺钉材料均为Q235钢,材性试验结果如表1所示.

  

图1 节点s-1Fig.1 Joint s-1

  

图2 节点s-2Fig.2 Joint s-2

  

图3 节点s-3Fig.3 Joint s-3

  

图4 试验装置Fig.4 The experiment device

 

表1 材性指标Table 1 Material performance indicators

  

Thicknessofsteel/mmYieldstrengthofsteel/(N·mm-2)Ultimatestrengthofsteel/(N·mm-2)Yieldstrengthoffittings/(N·mm-2)Ultimatestrengthoffittings/(N·mm-2)Diameterofscrew/mmYieldstrengthofscrew/(N·mm-2)Ultimatestrengthofscrew/(N·mm-2)2.4523434122727712373748

1.3 试验装置

  

图5 百分表布置Fig.5 Arrangement of measuring instruments

试验装置如图4所示.本试验在吉林建筑大学结构试验中心进行.

试验过程中,采用100kN油压千斤顶在柱底部对试件施加轴力,结合实际情况,采取手动加载的方式.DH3816应变测试系统采集数据及监测试验全过程.梁端荷载通过放置在千斤顶顶部的应变式传感器连接应变仪测量控制.由于荷载不大,试验采用100kN油压千斤顶手动加载.

(3) 紧固件变形,如节点中的自攻螺钉.

1.4 试验现象[2]

在上述公式的基础上,考虑实际工况,令kb=25.经验证,本文所讨论的节点均为半刚性节点，详细情况见表3.

节点实验现象如图6～图8所示.

调查问卷参考“英美两国老年痴呆预防指南”并结合青岛市老年痴呆早期发病案例及其它相关文献的基础上自行设计,并请相关专家对问卷内容进行评议、修改和表面效度测定,进行预调查20名后形成正式问卷。问卷内容分为三部分:①一般资料问卷:包括年龄、性别、社区服务中心名称、职称、学历、护理工作年限、社区工作年限、是否参加过临床工作等。②社区护士对老年痴呆预防及早期干预总体认知情况。③所在社区对老年痴呆预防及早期干预现状。其中社区护士对老年痴呆预防及早期干预总体认知部分18题,老年痴呆预防及早期干预现状18题。

  

图6 节点1实验现象Fig.6 Joint s-1 test

  

图7 节点2实验现象Fig.7 Joint s-2test

  

图8 节点3实验现象Fig.8 Joint s-3test

2 试验结果分析

2.1 破坏模式分析[1-2]

节点的破坏模式分为两类:第一类为节点域孔壁的挤压破坏,如节点s-1;第二类为节点域螺钉的剪切破坏,如节点s-2和节点s-3.这与文献[1]中黄川学者得出的结论一致.第一类破坏模式是由于构件的板材较薄,荷载不断增加,导致连接处钉孔的孔壁受挤压越来越严重,钉孔变形不断扩大,自攻螺钉产生了很大的倾斜,最后,孔壁受到的压力超过了其承载能力极限,导致钉孔孔壁挤压破坏.第二类破坏模式的产生主要是因为节点域增加了连接板,板件的刚度和承载力提高,而自攻螺钉群的刚度和承载力相对下降,一旦有螺钉发生剪切破坏,整个节点的承载能力就会迅速下降,最后导致整个螺钉群因剪切破坏而退出工作.

考虑在由元件C1、C2构成的串联系统中，如何配置负载冗余元件R使系统可靠性更高，假设X1、X2、Y服从参数为λ1、λ2、λ的指数分布，比较以下两个系统的寿命：

将本文的3个自攻螺钉节点和另外3个相同构造的焊接节点[4]的弯矩-转角关系曲线进行对比.从图9可以看出,上述曲线都介于理想铰接和完全刚接之间，曲线呈现出明显的非线性特性.导致非线性的原因有:

2.2 “群效应”验证[3]

在钢板型号和螺钉型号不变的情况下,多颗螺钉连接时每颗螺钉连接的平均承载力与单颗螺钉连接相比有所降低,这种现象被LaBoube 定义为“群效应”. 文献[3]发现,当螺钉间距为3倍钉距，试件的抗剪承载力计算值与试验值较为接近;当螺钉间距大于3倍螺钉中距时,其抗剪承载力计算值与试验值相比更为保守.由此可见,“群效应”除与螺钉数目有关外,还与螺钉间距有关,即在栓距不小于3倍螺栓直径时，“群效应”非常小,可以忽略.从表2中可见,本文所研究的3个节点的螺钉间距均不小于3倍螺钉直径,而且,其试验承载力与计算承载力偏差很小,这说明文献[3]中对于“群效应”的解释是科学而全面的.

 

表2 节点承载力及栓距与直径比值Table 2 Joint bearing and distance-diameter ratio

  

JointsBearingcapacityonexperimentBearingcapacityoncalculationDeviation/%Ratioofspacinganddiameters-10.70.6485s-233.2894.16s-332.8269.16

  

图9 弯矩-转角曲线图Fig.9 Moment-rotation

2.3 “弯矩-转角”关系

弯矩-转角关系反映着节点的初始刚度、转动能力和承载能力,影响结构体系的变形性能、极限承载力和整体性能,是节点的重要力学性能.计算节点相对转角公式[2]如下:

θ=V/H

(1)

欧洲钢结构设计规范Eurocode3,以连接的初始转动刚度Ki为标准,对节点进行定义:

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(1) 拼接板的局部变形.

(2) 在荷载作用下连接的整体变化,如节点s-1、节点s-2的破坏均匀试件的整体变化有关.

方玫上学的时候住校，为了省生活费，吃的也不太好。现在又这么一折腾，她的胃很快就承受不住了，冷汗涔涔地倒在流水线上。

为防止试件位置移动和倾覆,在柱的上、下两端分别用钢丝紧固;同时,保证柱顶与传感器抵紧,柱底与千斤顶抵紧,柱子的轴力通过截面几何形心,在柱的外侧设置百分表,以监控柱的侧移.为了测量梁端位移,在梁的上翼缘布置百分表.百分表的布置情况如图5所示.

(4) 节点域梁和柱腹板的局部变形.

治疗2个月后，两组息肉、水肿、鼻漏、瘢痕、结痂等黏膜形态评分均有所下降，差异有统计学意义（P＜0.05），但观察组上述黏膜形态评分均低于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05），见表 2。

2.4 节点的半刚性特性

其中,V为梁的竖向位移;H为梁上测点距柱中心线的水平距离.

若Ki≤0.5EIb/lb则为铰接;若Ki≥kbEIb/lb则为刚接;若0.5EIb/lb≤Ki<kbEIb/lb则为半刚性连接.其中,lb为节点中梁的跨度；Ib为节点中梁的截面惯性矩；对于有支撑框架,且支撑抗侧移刚度大于框架自身侧移刚度的4倍，kb=8，对于无支撑或支撑较弱的框架，kb=25； E为钢材的弹性模量.

试验前预加载.试验过程逐级加载.试验开始时,分别对3个试件施加40kN,30kN,50kN的轴力,试验过程中3个节点试件的梁端均不断向上翘曲.其中,节点s-1在加载过程中不断发出吱吱声,随着荷载增大,吱吱声逐渐增大,当荷载增加到0.3kN时,吱吱声急剧增大,继续加载加到0.4kN时,梁底突然翘曲,荷载加至0.7kN时,无法继续加载;节点s-2在荷载在1.5kN之前时,试件变化非常微弱,当荷载增加至3kN时,无法继续加载;节点s-3加载至1.4kN时,开始发出吱吱声,荷载加至3kN时,吱吱声突然变得大而剧烈,随即无法继续加载,节点板发生明显错动,节点板底部自攻螺钉被剪断.

这一点显而易见，毋庸多言。阅读原汁原味的军事名著在语言上也会一种修炼提高。很多世界军事名著都是以英语呈现的，通过阅读这些军事名著，真正了解其内涵，学员的英语阅读、理解及表达能力都会有所提高。而对于原著不是以英语呈现的世界军事名著，可以将其通行英译本及中译本对照阅读。对照阅读有助于学员发现译者理解上的不同，从而更加能动地参与阅读、加深理解。

 

表3 节点半刚性判定Table 3 Semi-rigid connections definition

  

JointsKikbEIb/lb0.5EIb/lbResultss-116678501570.5EIb/lb(kN·m)≤Ki

3 有限元分析

采用ANSYS对节点进行静力分析.材料泊松比取0.3,弹性模量取2.06E5MPa,质量密度为7 800kg/m3.其他材性指标取实测结果. 试件选取SHELL181壳单元、理想弹塑性体模型.忽略弯角的弧度.自攻螺钉选取SOLID45体单元,螺钉和型钢的接触采用耦合方式进行处理.柱子上端和下端均约束6个自由度.在梁端对其x轴方向的扭转加以限制,同时,在加载点Y方向采用位移控制,模拟其加载过程.采用von mises屈服准则,选用稀疏矩阵求解器,采用直接求解法.

从应力云图10可见,自攻螺钉所在位置应力最大,原因是由于钉孔的存在,螺钉所在位置产生应力集中,应力云以螺钉中心为中心向周围扩散,应力由内向外逐渐减小,在多个应力云交汇的区域,应力再一次出现小高峰,这也证实了螺钉的群效应.

  

Joint s-1

  

Joint s-2

  

Joint s-3图10 节点应力云图Fig.10 Stress distribution of joints

此外,图10显示,节点域中梁的翼缘处也存在应力高峰区域,这是因为梁在弯矩作用下产生的正应力是以梁的中和轴为界,向两侧成倒三角分布,在翼缘处正应力最大.

图11为有限元分析结果和试验结果对比图.图11显示，有限元分析结果和实验结果基本一致.

消化性溃疡是消化科常见的病种之一，是指发生在十二指肠、胃的溃疡，其发病因素较多，而与幽门螺杆菌感染有着密切的关系[1] 。本病的发病率较高，据报道我国每10人中即有1个本病患者[2] ，对健康造成严重的影响，应积极治疗。笔者近年来自拟益胃养阴汤治疗消化性溃疡，取得了较好的效果，现报道如下。

  

图11 荷载-位移图Fig.11 Load-displacement

4 结论

本文采用试验和有限元分析相结合的方法，对一组自攻螺钉连接冷弯薄壁型钢节点进行了研究.结果表明,该类节点属于半刚性节点,其常见破坏模式为孔壁挤压破坏和螺钉剪切破坏;当多个螺栓共同工作时,存在“群效应”;但当栓距不小于螺栓直径的3倍时,可以忽略“群效应”.自攻螺钉连接冷弯薄壁型钢节点性能优良,适合推广应用.

参 考 文 献

[1] 黄川,崔佳,龙莉萍．自贡螺钉连接冷弯薄壁C型钢梁柱节点试验及分析[J]．重庆建筑大学学报,2003,25(5):37-41.

[2] 吴学韬.轻型钢结构组合节点性能研究[D].长春:吉林建筑工程学院,2011.

[3] 李元齐,马荣奎,宋延勇,潘斯勇.冷弯薄壁型钢螺钉连接抗剪性能试验研究[J].同济大学学报,2013,41(1):11-19.

[4] 赵莹.冷弯薄壁型钢—轻质混凝土焊接组合节点性能研究[D].长春:吉林建筑工程学院,2011.