节点连接范文

2024-07-30

节点连接范文（精选7篇）

节点连接第1篇

框架—支撑结构体系是土木工程结构体系中应用最为广泛的体系之一。这种结构是在框架结构的基础上再布置一定数量的斜向支撑,能够有效地解决结构抗侧移刚度不足的问题。但是,遭遇强烈地震时,普通支撑在反复地震荷载的作用下,容易发生屈曲现象,造成建筑结构抵抗地震作用能力的下降。防屈曲支撑(Buckling-restrained Brace)又称无粘结支撑(Unbonded Brace),可应用于框架—支撑结构体系中的重要梁柱节点间代替普通支撑使用。防屈曲支撑与普通支撑相比,不但能够增加结构的抗侧移刚度,还能更好的消耗地震能量,提高结构的抗震能力,是一种特殊的耗能减震装置。

1 防屈曲支撑

1.1 防屈曲支撑的组成

防屈曲支撑和普通钢结构支撑稍有不同,是在轴心受压杆件外面增设约束单元,当内部杆件发生屈曲变形时提供一定侧向约束力。防屈曲支撑基本上由钢芯、隔膜层、约束单元和连接部件4个部分组成。防屈曲支撑钢芯常见的截面形式为十字形、一字形、T字形、双T形等,用来满足不同结构的刚度需求和耗能需求。隔膜材料可选用橡胶、聚乙烯、硅胶、乳胶等。这些材料可以有效减小或消除钢芯与混凝土之间的摩擦力,使钢芯可以在约束单元内自由运动。约束单元是保证支撑不发生屈曲变形的主要组成部分,一般由钢管内填砂浆或混凝土组成。连接部件主要是指防屈曲支撑与梁柱节点板连接时所采用的连接构件,包括连接板、螺栓等。

从纵向上看,防屈曲支撑按照钢芯作用的不同又可划分为工作段、过渡段、连接段三部分[1]。工作段是防屈曲支撑主要耗能段,在受力过程中首先进入弹塑性阶段,屈服耗能。通过调整钢芯工作段截面尺寸和长度可实现不同的耗能效果。连接段是支撑两端与梁柱节点板进行连接的部分,按照连接方式的不同,可分为刚接和铰接两种形式。过渡段是钢芯工作段和连接段之间的过渡区域,为了保证连接段在工作段屈服时不发生破坏,一般需加大端部截面尺寸,并保证过渡平缓,避免发生应力集中现象。

1.2 防屈曲支撑的力学性能

防屈曲支撑的特点是:防止发生屈曲,即无论拉、压力作用,支撑杆件都可进入塑性阶段,并且不会发生受压屈曲失稳的现象。防屈曲支撑的滞回曲线饱满,作为减震耗能构件,减震效果显著。

国外的研究者对普通支撑和防屈曲支撑进行了对比试验研究,试验结果证明防屈曲支撑由于具有约束单元,屈曲变形得到了有效的抑制,在承受轴向力时,其强度和延性可进一步发展,拉压滞回曲线饱满,在反复荷载作用下具有出色的耗能能力,其滞回曲线对比见图1[2]。

2 防屈曲支撑节点连接设计的研究

防屈曲支撑构件的设计包括钢芯截面设计、外包钢管设计、隔膜层设计、连接段设计4个主要组成部分。钢芯截面设计、外包钢管设计、隔膜层设计与构件的耗能特性密切相关。而连接段的设计则关系到构件在整个框架结构中能否正常工作。因此,防屈曲支撑连接段的可靠性和有效性是防屈曲支撑工作的前提条件,也是防屈曲支撑设计的重要组成部分。

2.1 防屈曲支撑节点设计内容

进行防屈曲支撑设计,首先应根据结构分析内力,对钢芯截面及外包钢管尺寸进行设计,然后根据设计要求选择连接方式,防屈曲支撑的连接方式可以分为连接板全螺栓连接、半焊接半螺栓连接、螺栓连接、铰连接等连接方式。确定连接方式后,根据相关规范要求对构件节点连接处的连接部件进行设计,包括螺栓的设计、铰轴的设计、焊缝的设计、连接板设计及节点板设计。

2.2 防屈曲支撑节点设计原则

1)防屈曲支撑作为支撑的构件主要是承受侧向水平力,其端部与梁柱的连接,或与梁柱中间部位的连接,均应能充分传递支撑杆件的内力,同时尚应留有一定的富余量[3]。

2)一般情况下,防屈曲支撑通过节点板与梁柱连接。当采用连接板全螺栓连接方式时,需要借助相同截面的十字形节点板来实现。

3)防屈曲支撑杆件的中心线应与梁柱中心线三者交会于一点。

4)支撑端部与梁柱的连接,应按防屈曲支撑钢芯支截面强度乘以1.1～1.5的系数来确定。

5)防屈曲支撑的连接螺栓宜采用摩擦型高强度螺栓,同时满足规范相应构造间距要求。

6)焊缝设计时应注意焊接方式,尽量减少焊接应力的影响,避免由于焊接而导致钢芯端部连接处发生扭曲。

7)如采用铰式连接除按规范设计铰轴尺寸外,还应对铰孔处构件本身和连接板的强度进行验算。

8)所有连接方式均须对节点板进行净截面强度验算,此外还应对节点板局部和整体稳定进行验算[4]。

9)当节点板设计不满足要求时,可采用增加加劲肋或端板的方式,增强其工作性能。

3 结语

防屈曲支撑是一种新型耗能支撑,根据国内外对于防屈曲支撑的设计研究情况,自主开发并制作成本低且效果好的具有自主知识产权的防屈曲支撑是其在中国内地广泛推广的前提,在此基础之上形成系统的防屈曲支撑设计方法是其设计和应用的重要阶段。

防屈曲支撑的设计应依据其工作原理,对各个组成部分分别进行设计,以达到最优效果。而由于防屈曲支撑本身的特点,在与梁柱连接节点设计时,除根据规范要求进行必要的设计及验算外,还应遵循一些特定的原则,最终形成防屈曲支撑与节点可靠且有效的连接。

参考文献

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[2]刘建彬.防压曲支撑及防压曲支撑钢框架设计理论研究[D].北京:清华大学硕士学位论文,2005:5.

[3]李星荣,魏才昂,丁峙,等.钢结构连接节点设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[4]周云.防屈曲耗能支撑结构设计与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2007:8.

装配整体式结构节点连接技术第2篇

装配整体式结构 (NPC结构) 是一种新型的半装配式混凝土结构, 即将主要结构构件在工厂进行预制, 在现场进行拼装的结构形式。其连接节点性能的好坏直接影响结构整体性能和稳定性能, 目前常用的钢筋节点连接形式有浆锚连接、机械连接、焊接连接等, 通过后浇混凝土使预制构件形成整体结构, 并达到或略低于现浇混凝土结构的抗震和设计要求[1]。装配整体式混凝土结构作为一个具有工业化程度高、施工周期短、经济效益好、环境效益好等优势明显的建筑形式, 是未来建筑工业化发展的必经之路。

1 装配整体式结构节点连接技术及理论研究

预制装配整体式混凝土住宅结构体系中存在各种形式的节点, 主要包括:柱与柱的连接节点、梁与梁的连接节点、梁柱节点等。其中梁柱节点又分为端节点和中节点。

1.1 梁柱节点连接技术及理论研究

匡珍[2]设计了3个装配式隔震节点试件和一个现浇混凝土对比试件, 在3个装配式隔震节点试件中提出两种适用于装配式隔震层的新型梁柱节点的装配方案 (见图1) , 通过试验分析其破坏形式和抗震性能。加载方式为低周反复加载, 试验结果表明:装配式试件的耗能能力与普通现浇试件相比稍差, 而钢筋的屈服顺序均为:梁纵筋—梁箍筋—柱主筋, 这说明了节点符合“强柱弱梁、强剪弱弯”的设计要求。

李忠献等[3]设计制作了4个装配整体式型钢混凝土框架节点试件, 试件分为2组, 第一组为中节点试件, 试件设计原则为“强构件, 弱节点”;第二组为边节点试件, 试件设计原则为“强节点, 弱构件”。试验轴压比n=0.2, 加载方式为低周反复加载。试验结果表明:在耗能能力方面, 以弯曲变形为主的节点试件要高于以剪切变形为主的节点试件。这说明按照“强节点, 弱构件”的原则设计的框架节点具有较好的变形和耗能能力, 抗震能力较强。试验研究表明连接部位型钢腹板采用高强螺栓连接、钢筋采用套管连接的构造方式是安全可靠的, 可在实际工程中应用。

罗青儿等[4]设计了一个装配整体式钢筋混凝土框架柱节点与现浇钢筋混凝土框架柱节点的对比试验, 框架柱节点选择中柱节点, 验证梁柱接头采用齿槽式接头, 接头区的钢筋采用滚轧直螺纹钢筋连接, 且节点处的楼板后浇的梁柱节点连接方式与现浇式梁柱节点连接方式的差别。试验结果表明:在受力性能方面, 装配整体式框架梁柱节点与现浇框架节点基本相似;在破坏形式方面, 两种连接方式节点核心区混凝土均没有出现裂缝;两个试件的正弯矩和负弯矩试验值均高于计算值, 框架的受剪承载力得到保证, 说明采用齿槽连接方式是可靠的, 且梁的主筋采用滚轧直螺纹的钢筋连接简便可行。

杨晓波[5]设计了三榀预压装配式预应力混凝土试件, 梁柱节点通过预应力钢筋连接, 施工时在梁柱内预留直线型孔道, 将预应力钢筋穿过孔道, 梁柱节点处拼装缝用环氧树脂水泥浆密封, 之后张拉预应力筋, 张拉完毕实施孔道压力灌浆。试件加载方式为低周反复加载, 试验结果表明:在水平地震力作用下, 预压装配式混凝土框架节点抗裂能力强, 节点核心区出现细小裂缝, 处于弹性工作状态。梁柱连接节点满足“强节点, 弱构件”的设计要求。

1.2 梁与梁节点连接技术及理论研究

薛伟辰等[6]对4种典型的节点形式即中节点、边节点、平节点、角节点进行研究, 以实际工程为背景, 设计了4个现浇柱叠合梁框架节点试件, 对节点试件的破坏形态、抗震性能进行了研究。试验采用低周反复加载, 试验结果表明:4个现浇柱叠合梁框架节点均满足“强柱弱梁、强节点弱构件”的要求, 破坏形态均为梁端受弯破坏, 节点核心区仅有少量细小裂缝, 表明现浇柱叠合梁框架节点的设计满足安全性要求。

许勇等[7]设计了4组8个装配整体式混凝土结构主次梁节点对比试件, 试件采用一种改进后的装配整体式混凝土结构叠合主次梁节点, 如图2所示。该节点预制主梁采用倒T形截面, 预制次梁为矩形截面。试验加载方式为单调静力加载, 试验结果表明:装配整体式混凝土结构主次梁叠合试件与现浇试件的受力过程和破坏形式基本一致, 破坏形式为次梁控制截面受弯破坏, 满足“强剪弱弯、强节点强构件”的设计要求。

1.3 柱与柱节点连接技术及理论研究

柱子作为框架及框架剪力墙结构的主要抗侧力构件, 其连接性能对整体结构的抗震性能和整体性能具有决定性的意义。柱子的连接形式有干式连接和湿式连接两种形式。

应一辉[8]设计2个足尺普通高强螺旋箍筋长柱、2个足尺高强螺旋箍筋浆锚插筋连接长柱和2个高强螺旋箍筋浆锚插筋连接短柱, 试件采用高强螺旋箍筋约束混凝土柱, 从而提高柱的抗震性能, 同时, 采用外包钢板箍对节点进行二次加固, 增加对浆锚插筋与纵筋的约束作用, 增强节点的整体性能, 提高浆锚插筋连接柱的抗震性能, 并进行低周反复荷载试验。结果表明:装配整体式浆锚插筋连接柱采用高强螺旋箍筋的方法进行连接简单易行, 抗震性能好, 可以在实际工程中应用。

汪梅等[9]设计了5个足尺的框架柱试件, 通过对比普通整浇柱与平口连接柱和齿连接柱的承载能力和抗震性能, 研究新型全装配式干式连接框架柱的节点连接性能。文中采用的干式连接方法是先将预埋钢板焊在上下柱的纵向受力钢筋上, 然后用活动盖板将上下柱的预埋钢板焊接在一起, 即将上下两段柱连接成为一个整体柱。加载方式为低周反复循环加载, 试验结果表明:全装配式框架柱的抗震性能比整浇柱略有降低, 但此连接方式安全可靠且二齿连接柱的受力性能更好。

罗青儿等[10]对以往的榫式连接接头进行了改进, 如图3所示, 把钢筋混凝土榫头改用钢管混凝土榫头, 柱纵筋的焊接或冷挤压套筒连接改用滚轧直螺纹套筒连接。并对比了装配整体式框架柱与整浇柱的抗震性能。得出结论:这种改进的榫式柱接头连接方式是安全可靠的, 且施工方便, 可逐步在实际工程中推广应用。

2 展望

为了适应我国城镇化形式的快速发展和对环境保护的需求, 政府出台了一系列政策推动我国住宅产业化的发展, 随着城市住宅的建设规模迅速扩大, 保障房和商品房的大规模建设, 住宅产业化将成为必由之路。而随着预制装配整体式框架结构连接节点性能的研究, 其应用范围将会进一步扩大, 应用于小高层甚至高层建筑, 因此, 在未来住宅产业化道路上必将得到足够的重视。

摘要：阐述了装配整体式结构体系 (NPC结构体系) 中柱与柱的连接节点、梁与梁的连接节点、梁柱节点的连接技术, 并对装配整体式结构节点连接技术的研究进展进行了总结, 提出了装配整体式结构在未来住宅产业化道路中的发展方向。

关键词：装配整体式结构,NPC结构,节点连接技术

参考文献

[1]陆湘桥.日本工业化住宅一瞥[J].建筑施工, 2001 (4) :207-209.

[2]匡珍.装配式隔震节点的试验与研究[D].广州:广州大学土木工程学院, 2013.

[3]李忠献, 张雪松, 丁阳.装配整体式型钢混凝土框架节点抗震性能研究[J].建筑工程学报, 2005, 4 (8) :32-38.

[4]罗青儿, 王蕴, 翁煜辉, 等.装配整体式钢筋混凝土框架梁柱节点的试验研究[J].工业建筑, 2008 (2) :80-83.

[5]杨晓波.预压装配式预应力混凝土框架节点的抗震性能研究[D].合肥:合肥工业大学土木与水利工程学院, 2010.

[6]薛伟辰, 杨新磊, 王蕴, 等.现浇柱叠合梁框架节点抗震性能试验研究[J].建筑结构学报, 2008, 6 (12) :9-17.

[7]许勇, 刘波, 张季超, 等.新型装配整体式混凝土结构主次梁节点试验研究[J].工业建筑, 2009 (8) :114-117.

[8]应一辉.装配整体式浆锚插筋连接混凝土柱抗震性能试验研究[D].西安:西安建筑科技大学, 2012.

[9]汪梅, 梁书亭, 李刻铭.新型全装配式干式连接框架柱的试验研究[J].建筑技术, 2010, 1 (1) :52-55.

浅论钢混凝土连接节点设计第3篇

随着社会的发展, 型钢混凝土结构应用也日益广泛。所谓型钢混凝土组合构件是由混凝土、型钢、纵向钢筋、箍筋组成的受力构件, 主要包括型钢柱、型钢梁。梁、柱内的型钢可以采用工字钢、方钢、钢管等形式, 这种组合结构可以大大提高梁、柱承载力, 减小梁、柱截面, 特别适用于大跨度、大空间及高层结构。

本文结合工程实例, 论述了非正交型钢混凝土结构的节点设计及节点构造等内容。

2 节点形式

2.1 型钢梁与型钢混凝土柱的连接

型钢梁与型钢混凝土柱的连接比较简单, 与钢框架结构连接相似, 主要有梁柱直接连接和悬臂梁段连接两种方式。笔者建议一般宜用悬臂梁连接, 因为这样施工方便, 施工周期短, 且悬臂梁与柱的焊接在工厂预制, 这样可以保证施工质量。

2.2 钢筋混凝土梁与型钢柱连接

钢筋混凝土梁与型钢混凝土柱的连接主要采取纵筋直接贯通法、钢筋混凝土环梁-抗剪键等方式。

纵筋直接贯通方式在型钢混凝土柱内的型钢截面较小或混凝土梁纵筋较少时, 应用比较方便, 如果不能满足以上条件, 将在型钢柱上开较多的孔。这就给施工带来了很大的麻烦, 因为开孔一般采用机械钻孔, 在工厂加工时完成, 定位要求非常准确, 如果稍有偏差, 现场施工时钢筋无法与孔的位置一一对应, 容易造成返工和材料的浪费。这种节点要求施工精度高, 钢筋工与型钢厂必须密切配合, 以免给后期施工带来麻烦。

如果采用钢筋混凝土环梁-抗剪键的方式连接, 除满足构造要求外, 设计人员需要核算环梁的强度、环梁纵筋的面积等。目前大部分软件没有这种计算模式, 因此, 需要手工计算, 给设计带来一定的难度。

2.3 非正交型钢混凝土梁、柱连接

对于正交的型钢混凝土梁柱连接较为常见, 但实际工程中, 往往由于建筑布置需要, 型钢梁与型钢柱非正交。笔者就遇到了一个这样的例子, 该工程为直径为16m的圆形大厅, 由于建筑专业布置, 造成厅内的型钢混凝土柱与型钢混凝土梁非正交。针对这种情况, 笔者在型钢混凝土梁、柱连接处, 钢柱用钢板补强。如果型钢混凝土柱内型钢设计为矩形方钢, 应采用图1所示连接方式[1]。

如果柱内型钢用钢管, 设外翼缘板与型钢梁或钢梁连接, 或柱设计为钢管混凝土, 与型钢梁连接时, 可以采用如图2所示连接。

以上两种方式中:第一种连接方式施工复杂, 型钢梁未直接与型钢柱连接, 而是靠补强钢板, 传力不明确, 且型钢混凝土梁的水平纵筋穿柱的次数较多 (由于非正交, 有的纵筋要穿两次翼缘板和两次腹板) , 这需要很高的施工技术提前开孔, 对钢柱截面损伤较大;第二种连接方式与钢管柱的连接中施工简单, 传力明确, 型钢混凝土梁的水平纵筋需穿钢管柱次数较少, 降低了施工难度。

综合比较, 笔者建议采用第二种连接, 即型钢柱内的型钢采用钢管, 充分利用钢管各向性能相同的优点, 施工相对简单, 传力直接。

2.4 柱脚的处理

型钢混凝土柱的柱脚分为埋入式和非埋入式两种。根据设计经验, 笔者建议采用埋入式柱脚, 且柱内型钢应在基础埋入部分增设栓钉, 以增加锚固力。如果采用非埋入式柱脚, 那么混凝土柱的纵筋必须穿过钢柱脚底板, 施工麻烦, 节点复杂, 钢柱底板开孔较多, 影响钢板强度。

2.5 型钢混凝土梁与型钢混凝土梁的连接

钢梁与钢梁的连接有两种连接方式, 即连续梁、铰接梁设计。如果采用连续梁设计, 应采用翼缘焊接, 腹板栓接或翼缘与腹板均栓接等方式;如果采用铰接, 那么仅腹板栓接或焊接。并且, 无论哪种连接, 型钢混凝土梁的腰筋应穿过钢梁的腹板。

3 注意问题

3.1 区分主要的截面模量和惯性矩

钢结构计算中, 经常碰到Wn、W、Wpn、Wp等参数, 为避免混淆, 笔者简单汇总了这4个参数的意义及计算公式。

Wn用于受弯及拉 (压) 弯构件强度计算, 是指截面外边缘 (受拉或受压) 处抗弯截面模量, 等于In/y, In为净截面 (扣除孔部分) 对中和轴的惯性矩;W用于受弯及拉 (压) 弯构件稳定计算, 是指截面受压外边缘处抗弯截面模量, 等于I/y;I为毛截面 (不扣除孔部分) 对中和轴的惯性矩。

Wp n用于受弯构件塑性设计中的强度计算, 等于净截面 (扣除孔部分) 对中和轴的静矩绝对值之和;Wp用于受弯构件塑性设计中的稳定计算, 等于净截面 (不扣除孔部分) 对中和轴的静矩绝对值之和。

W和Wn通过塑性发展系数考虑了部分塑性发展, 而Wpn和Wp是截面完全塑性情况下的截面模量。

3.2 极限承载力验算

根据《建筑抗震设计规范》 (GB50011—2010) [2]第8.2.8条的规定:钢结构构件连接应按地震组合内力进行弹性设计, 并应进行极限承载力计算;梁与柱连接弹性设计时, 梁上下翼缘的端截面应满足连接的弹性设计要求, 梁腹板应计入剪力和弯矩。梁与柱连接的极限受弯、受剪承载力, 应符合式 (1) 要求:

对于型钢混凝土节点中的钢结构连接也应满足这一要求。

解决方案:根据强连接弱构件的设计特点, 采取如下技术措施。

3.2.1 在梁上下翼缘处加楔形板

通过在梁端上下翼缘处加楔形板, 增大全熔透坡口焊缝的长度, 从而增加了焊缝的极限抗弯承载力。

3.2.2 在梁上下翼缘加楔形盖板

通过在梁端上下翼缘处加楔形盖板, 增大全熔透坡口焊缝的高度, 从而增加了焊缝的极限抗弯承载力, 且应保证梁翼缘厚与楔形盖板厚之和应小于柱翼缘的厚度。

3.2.3 狗骨法

通过设置狗骨式节点连接方式, 削弱梁端的全塑性受弯承载力以达到满足规范的要求。但该种方式计算复杂, 不能精确确定削弱位置及削弱尺寸, 因此笔者建议采用经验法, 在距梁端0.1梁高处削弱。

摘要：通过工程实例, 简单论述了型钢混凝土节点设计形式、规范要求、节点处理方式、施工注意事项等内容, 尤其对非正交型钢混凝土连接节点阐述了自己的见解和经验, 对于类似工程具有一定的参考价值。

关键词：型钢梁,型钢柱,连接节点

参考文献

[1]JGJ138-2001型钢混凝土组合结构技术规程[S]

钢框架梁柱刚性连接节点有限元分析第4篇

钢结构良好的抗震性是其相对于混凝土结构的一个优点,在历次的地震中钢结构也经受住了考验,很少发生整体的破坏。但是在地震中,钢结构经常会发生局部破坏,最具代表性的是在1994年1月17日美国的北岭地震和1995年1月17日的日本阪神地震。在这两次地震中钢结构表现出几种局部破坏形式[1]:1)框架节点区的梁柱焊接连接脆性破坏;2)竖向支撑的整体和局部破坏;3)柱脚的柱翼缘和柱子底板的破裂以及其锚栓失效。其中,节点破坏最为严重。而引起震害的主要原因之一是梁柱节点发生脆性破坏,因此必须对钢框架梁柱节点在地震作用下脆性破坏的原因进行进一步研究和分析,以便能找出传统的钢框架梁柱节点存在着的不可忽视的缺点和不合理的地方。

通过研究分析,研究人员认为决定和影响节点性能从而导致了梁柱节点发生脆性破坏的因素有[2]:1)设计方法的不正确;2)塑性铰范围小引起的整个节点的脆性破坏;3)焊接质量以及施工工艺的问题;4)梁翼缘的应力不均匀分布引起的脆性破坏。因此,为了提高梁柱节点的抗震性能,避免设计的不合理,人们提出了几种具有较好抗震性能的新型节点形式[3]:1)半刚性节点;2)加强型节点;3)削弱型节点。

文中将选取普通节点和削弱型节点中的翼缘削弱型狗骨式和腹板开孔型节点进行有限元分析,分别比较这3种节点在弹性阶段和弹塑性阶段的应力发展状况及应力分布情况,得出这几种节点的力学性能。

1有限元模型的建立

文中定义有限元模型的材料为Q235结构钢,屈服强度fy=235 MPa,材料为各向同性。钢材的弹性模量E=2.06×105 MPa,泊松比u=0.27,剪变模量G=0.79×105 MPa。计算采用Von Miss屈服准则及相关的流动准则和ANSYS程序中经典双线性随动强化选项(BKIN)。文中在建立普通节点和削弱型节点ANSYS有限元模型时采用的是ANSYS单元库中Solid92单元。普通节点、狗骨式节点及腹板开孔型节点的梁柱长度分别为2 m,3 m。狗骨式节点削弱部位参数如下:

a=0.65bf=98 mm;

b=0.75db=318 mm;

c=0.2bf=30 mm。

所建有限元模型如图1所示。

2节点的弹性静力计算

分析时把整个模型视为完全弹性体,在梁端施加大小为45 kN的集中力。通过ANSYS分析可以得到普通节点、狗骨式节点及腹板开孔型节点的应力分布图。为了更详细的比较三者的差异,通过在模型上定义相关的路径,然后把ANSYS所计算出来的结果数据映射到模型中已经定义好的路径上。在文中定义了下面2条路径来分析比较应力分布:沿梁翼缘表面长度方向和沿梁翼缘根部宽度方向。

如图2所示为梁翼缘面沿梁长度方向Von Mises和SX应力分布。从图2中可看出3种节点的最大Von Mises应力为:普通170 MPa,狗骨式为179 MPa,腹板开孔型173 MPa,都在梁端,通过比较可看出在狗骨式节点削弱位置处的应力比普通节点和腹板开孔型相应处的应力要大,过了翼缘削弱处应力逐步趋于相等。节点沿翼缘长度方向SX应力分布(整体坐标下X向的应力分布)与沿梁翼缘长度方向Von Mises应力分布趋势相同。从节点试件应力分布及其位置来看,狗骨式节点和腹板开孔型节点在弹性受力的情况下与普通节点没太大的区别。

图3为梁根部沿翼缘宽度方向Von Mises和SX应力分布,从图中可以看出,梁翼缘截面的应力集中很明显,轴线处应力最大,两边次之,轴线和边缘中间处最小。通过对3种节点在翼缘节点梁根部沿翼缘宽度方向应力分布比较,狗骨式节点在轴线处大于普通节点和腹板开孔型节点,但在边缘处狗骨式节点的应力却稍小于其他两种节点。由于梁翼缘边缘是焊缝最脆弱的部位,所以狗骨式节点在弹性受力情况下,受力性能稍优于普通节点和腹板开孔型节点。

从以上的分析可以看出在受力较小,构件处于弹性变形阶段时,狗骨式节点和腹板开孔型节点对于节点性能的改善方面并没有明显的显现出来。接下来将研究3种节点在弹塑性阶段的力学性能。

3节点的弹塑性分析

为了全面分析梁柱刚性节点在弹塑性阶段的受力性能,将在节点的梁端施加一个足够大的位移,使在满足该位移时,通过有限元计算能输出较好的反映刚性节点在塑性阶段受力情况的结果。参照EI-Tawil等和Mao等对刚性节点局部参数的研究[4,5],根据FEMA-267和FEMA-267B中对北岭地震后刚性节点设计的建议,梁端的反复位移应该加至节点的塑性转角达到0.03 rad。因此,在塑性分析时将在梁端施加大小为64.8 mm的竖向位移。同样为了更详细的比较二者的差异,在模型上定义了沿梁翼缘表面长度方向和沿梁翼缘根部宽度方向2个相关的路径。

如图4所示为梁上翼缘沿梁长度方向的应力分布,从图中可以看出在翼缘根部应力相差不大。不过明显的是普通节点和腹板开孔型节点的最大应力都小于狗骨式节点,特别是在狗骨式节点的削弱的部位应力明显大于其他两种节点。而腹板开孔型节点在开孔部位的应力稍大于普通型节点。这表明在受到较大荷载作用,构件处于塑性状态时,狗骨式节点首先在削弱处屈服,腹板开孔型节点也将从开孔处先屈服,从而避免了破坏从脆弱性较大的梁柱焊接处开始的不利情况。这正体现了狗骨式节点和腹板开孔型节点的设计初衷,也说明了狗骨式节点和腹板开孔型节点相对普通节点较好的抗震性能。比较可知狗骨式节点在抗震性能方面的提高要好于腹板开孔型。

狗骨式节点应力较普通节点和腹板开孔型的都要小,这说明了狗骨式节点相对其他两种节点能降低梁柱节点在根部的应力,对此处起到了一定的保护作用。

4结语

通过文中对普通节点、狗骨式节点和腹板开孔型节点的弹性和弹塑性的分析可以得出以下结论:在弹性阶段3种节点并没有显现出性能上的明显区别。但在进入到塑性阶段,三者则出现了差别,狗骨式节点翼缘的应力最大值是3种节点中最大的,而在梁翼缘端部这个薄弱部位其应力值却最小。狗骨式节点的最大应力值是出现在翼缘削弱的部位,且在削弱段区间应力都明显大于其他两种节点相应部位的应力值。说明当发生破坏时,狗骨式节点将首先从截面削弱处开始出现塑性铰,破坏将从这里发生,避免了在脆性较大的节点连接处,恰好满足了结构上“强节点弱构件”的要求。腹板开孔型节点也有同样的保护作用,不过通过文中的分析可以看出效果不如狗骨式节点的好。所以在钢结构中通过采用狗骨式节点提高抗震性能,避免地震作用下节点连接处的破坏是一种行之有效的方法。

参考文献

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[3]日本钢结构协会.钢结构技术总览(建筑篇)[M].陈以一,傅功义,译.北京:中国建筑工业出版社,2003.

[4]EI-Tawil.S.,Mikesell.T.,Kunnath.S.K..Effect of local de-tails and yield ratio on behavior of FR steel connections[J].Struct.Engrg.ASCE,2000,126(11):79-87.

[5]Mao.C.,Ricles.J.,Lu.L.W.,et al.Effect of local detail:onductility of welded moment connections[J].Struct.Engrg.AS-CE,2001,127(9):1036-1044.

节点连接第5篇

关键词：纸结构模型,制作方法,杆件连接,荷重比,结构优化

0 引言

大学生结构设计类相关竞赛是面向土木工程专业学生所举办的科技创新类竞赛, 因其与实际工程的紧密联系同时能够较好的培养学生结构创新意识、动手能力, 而被誉为“大学生八大赛事”之一。木材、纸张以其环保、廉价易得、承载强度高等优点而成为比赛的主要选材[1]。对于纸质材料, 遇水及胶后易收缩变形从而影响其强度、承载能力以及美观性。除此之外, 杆件的连接方式会直接影响结构的整体稳定和荷重比。

现有文献多侧重于纸结构的截面选型以及承载能力, 王志刚做了有关纸质材料在静态荷载作用下的力学性能探究[2], 秦武等研究了纸质材料承载力受纹路、宽度、厚度、湿度影响[3]。文献中对杆件的制作方法以及节点连接方式涉及较少。

本文以“河南省第二届结构设计大赛”为背景, 并且结合实际的制作经验, 对整个在制作过程中遇到的问题做出了一定的探究。

1 比赛命题分析

本次竞赛要求使用白卡纸 (保定产175 g/m2~186 g/m2) 和白乳胶 (顶立牌) 制作出一个房屋结构模型, 要求屋面外轮廓的投影面积能够覆盖内部容纳的600 mm×400 mm×250 mm的试块。模型加载时采取结构顶部中心加载, 加载板尺寸为300 mm×200 mm, 加载上限为30 kg。

考虑结构的整体美观与荷重比, 经过前期的结构设计、理论分析、模型制作, 从最初的几种方案中选出优化空间较大的设计方案并进行后期的模型优化 (见图1) 。

2 杆件制作工艺的评价指标

作为结构模型的重要组成部分, 纸质杆件的重量大小、制作工艺以及连接方式将直接影响结构整体的荷重比及整体美观[4]。对于制作工艺相关的评价指标, 目前还没有明确的定义。但在实际制作过程中, 由于操作不当可能会出现如下缺陷:

1) 杆件卷的不密实且在风干后会出现气泡;

2) 杆件风干之后发生收缩弯曲 (见图2) ;

3) 杆件在制作过程中发生纸张的褶皱 (见图3) ;

4) 杆件制作完成后表面不整洁、较脏;

5) 杆件制作成功率较低。

在不影响结构整体美观以及其受力性能的前提下, 对于纸质杆件而言, 好的制作工艺就是:制作花费时间少, 成功率高, 在制作完成后杆件内部密实, 表面整洁且在风干后不发生弯曲变形。

3 杆件制作工艺实际探究

市场上的该种纸大致可分为两种类型:一种单位面积质量小于180 g, 这种纸吸水性强, 吸水变形量大;另一种单位面积质量大于180 g, 这种纸吸水性相对较弱且吸水后变形量小。在制作圆截面杆件时, 前一种纸较后一种纸更易发生前面所述的现象。所以, 在保证所做杆件符合各项要求的条件下, 不同类型的纸采用不同的制作方法:

1) 单位面积质量小于180 g。

此类材质偏软, 在卷杆过程中不会产生因纸张顺逆纹而造成的褶皱现象, 但是制作完成后, 在风干的过程中表面水分蒸发速率的不同极易导致杆件弯曲, 所以在卷杆工作完成后可以将杆件留在工具上待其风干后再取出。为提高制作成功率与制作质量此类杆件截面最好为多边形 (见图4) 。

2) 单位面积质量大于180 g。

此类材质本身硬度高, 若在卷杆时不注意纸质的顺逆纹, 很容易导致所卷杆件出现褶皱与空隙, 从而影响其承载能力, 故避免逆纹卷纸 (可用弯曲纸张感觉阻力大小来判断纹理走向) 。实际制作时, 此类杆件截面形状以圆形为宜, 且在纸张一边用砂纸打磨提高粘结力。

卷杆时先将纸张起始处折起宽度为5 mm左右的纸边, 用硬卡片沿纸边将其与卷杆工具紧密相贴, 确定纸张与工具贴紧并无相对滑动后开始卷杆 (此时先不涂胶, 卷纸15次~20次使纸张产生纸痕以方便后期压密) 。涂抹过程中用胶要适量, 涂抹要均匀全面, 防止出现局部含胶量不均匀造成的2中1) , 3) 现象。制作完成后用纸片来回按压纸杆提高内部密实度 (见图5) 。

4 节点连接方式的探究

实际结构中, 节点的受力较为复杂。在大量模型加载试验中, 结构破坏较多的地方就是杆件的连接处。就结构的荷重比以及整体美观而言, 节点处理的方式更显重要。构件全部组装完成后质量有较大的增加, 经过分析, 增加的质量主要集中在连接件和多余的纸带上。

4.1 节点连接方式

就本次结构设计竞赛而言, 其加载上限仅为30 kg, 因此模型结构在设计时采用的就是减少多余约束的个数, 提高节点连接的强度。

构件节点连接时的方法大致分为以下三类:

1) 通过连接件连接 (见图6) , 这种连接方式适应杆件截面形状的范围广且强度基本都能满足受力要求, 缺点是影响结构整体的美观, 质量较重;

2) 构件自身经过一定处理后形成节点 (见图7) , 这种连接方式满足美观要求的同时, 质量 (多余质量为涂胶和固定纸带质量) 最轻, 但需要依照杆件截面的不同而做出不同的设计, 对制作人员的创造力有一定要求;

3) 根据杆件截面的形状设计出相关的嵌入连接方案并且通过注胶提高节点强度 (见图8, 图9) , 这种连接方式较美观, 但杆件连续弯折部分较大的接触应力要求杆件壁厚不能太小, 否则在接触部位会发生接触变形, 这就在某种程度上增加了结构整体的质量。

本次结构模型设计竞赛主要受力杆件截面形状选定为圆形, 连接方式采用嵌入注胶 (见图9) 。

4.2 杆件连接的蒙皮工艺

纸张的受拉性能要强于其受压性能, 其所能承受拉力的大小随着纸带横截面积的增大而增大。当纸带受拉时, 往往会因为强度、粘结以及不均匀受拉问题产生破坏[5]。为满足受力需要, 往往需要增加纸带的层数, 而过厚的纸带层数不但不利于纸带与杆件之间的粘结, 反而会因为含胶量的增加减弱其受力性能。以图1所示结构模型为例, 方案改进前受拉构件全部以纸带连接, 尽管后期承载力达到了要求, 纸带对杆件的剪力极易导致杆件的受剪以及纸带自身的破坏 (见图10) , 可将受拉纸带改进为单层蒙皮 (见图11) 。

采用蒙皮工艺不仅提升了结构整体的美观, 减轻了结构的整体质量, 也在很大程度上增加了结构的整体稳定。与杆件较宽的接触面积将原有的拉力均匀的分布在整个杆件之上, 避免了杆件的受剪破坏。最终优化结构如图11所示, 总重143 g。

5 结语

通过总结分析参赛队员在参加“河南省第二届结构模型设计大赛”制作纸模型过程中所遇到的问题, 得出了针对不同纸质条件下杆件的制作方法, 与不同杆端截面下节点处理方式等关键问题的一些创新型做法, 与此同时又引入了注胶与蒙皮这两种能够提高模型承载力与稳定度的制作方法。填补并发展了不同条件下纸模型制作工艺。

参考文献

[1]王立彬, 李靓.纸质构件力学性能实验研究[J].力学与实践, 2010, 32 (6) :88-91.

[2]王志刚, 穆建春.纸质材料在静态荷载作用下力学性能的实验探究[J].广西轻工业, 2009, 25 (6) :25-26.

[3]秦武, 郑云霄.纸质材料力学实验分析[J].南昌大学学报 (理科版) , 2007, 31 (5) :266-269.

[4]于洋, 姜峰.关于结构设计竞赛中模型的设计与制作方法[J].科技资讯, 2008 (2) :201-202.

节点连接第6篇

关键词：土木工程,节点,类型,特点

新型建筑体系的不断出现, 导致连接各构件的节点类型不断增加, 节点构造日趋复杂。作为受力最集中的部位, 节点对整体结构的安全性十分重要, 节点一旦破坏, 相连杆件将会丧失部分或全部承载能力, 可能会改变力的传递路径, 发生局部破坏, 严重的还会导致整个结构体系发生连续性破坏。随着建筑业的持续发展, 传统的节点形式已不能满足现代结构对建筑造型及功能的需求。节点构造的好坏对建筑结构力的传递路径、工程进度和造价都有相当大的影响[1]。本文对建筑结构构件节点连接的常用类型进行了归纳和对比。

1 构件节点的发展历程

在土木工程领域, 古代人类最早用木头建造房屋, 而榫卯和木钉就是最早出现的节点连接方式, 发展到了现代, 木结构建筑主要采用铁钉、螺栓、连接件等方式, 随着建筑材料的革新和建筑行业的不断发展, 进而有了砖混结构, 混凝土结构, 钢结构, 钢—混凝土结构等结构体系, 传统的节点形式已经远远不能满足现代建筑行业的需求, 故而出现了螺栓连接、焊接等一系列新型节点连接形式。但每种节点连接方式都有其自己的适用范围, 木结构的常用的连接方法有榫卯、钉连接、螺栓连接和连接件连接等;混凝土梁柱连接一般为现浇和预制两种;钢结构有焊接、铆钉连接和螺栓连接。除上述连接外, 在轻钢结构中还经常采用抽芯铆钉、自攻螺钉和焊钉等连接方式。

2 节点连接的类型和特点

2.1 榫卯连接

榫卯连接是中国独创的一种连接方式, “榫”就是凸出来的部分, “卯”就是凹进去的部分, 榫卯结构的连接不需要借助其他辅助件, 仅仅依靠建筑本身各构件来完成组合, 既美观, 又经久耐用, 而且其组合和拆卸都非常方便。卯榫结构在传承与发展的过程中不断创新, 至今已有上百种榫卯, 最常用的有龙凤榫、抱肩榫、夹头榫等几十种类型, 代表建筑有紫禁城, 大观园, 山西悬空寺等。这种结构不仅能够承受较大的荷载, 还能允许一定的变形, 在地震荷载作用下通过变形来吸收一定的地震能量, 减小结构的地震响应, 具有较好的抗震性能。

2.2 铆钉连接

铆钉连接是将预制钉头插人被连接构件的钉孔中, 然后在外力的作用下, 将另一端压成封闭状, 使连接件被铆钉卡紧而形成的一种牢固连接。铆钉的分类不拘形式, 种类繁多, 常用的有半圆头铆钉、实心铆钉、抽芯铆钉和空心铆钉等。

铆钉连接具有力的传递路径可靠, 铆接强度高, 密封性能好, 塑性和韧性较好, 质量易于控制等优点, 可用于承受动载的重型结构, 但其构造复杂, 加工精度要求高, 费工费时。目前, 铆钉连接很少被采用, 已基本被焊接和高强螺栓连接所取代[2]。

2.3 螺栓连接

螺栓连接是用于紧固连接两个带有通孔零件的一种连接形式, 应用比较广泛。目前钢结构领域比较常用的节点连接形式有普通螺栓连接和高强度螺栓连接, 螺栓连接具有施工方便, 结构简单, 形式多样, 装拆方便, 成本低等优点, 特别适用于工地安装。但螺栓连接必须对构件进行开孔处理, 构件截面受到一定的削弱, 而且被连接的构件需要互相搭接或另设拼接件等连接件, 用材量较大。而且在交变荷载作用下, 易松动。

2.4 焊接

焊接是通过热量使焊条和焊件熔化经冷却凝结连接成一体的连接形式。焊接被广泛应用于钢结构建筑领域中, 其优点是:任何形式的构件一般都可直接相连, 不用削弱构件的截面。构造简单, 用料经济, 制造加工方便, 连接刚度大, 自动化程度高。其缺点是:焊缝附近的钢材会因焊接高温作用而形成热影响区, 导致局部材质变脆。焊接过程中钢材受到不均匀的加热和冷却, 使结构产生焊接残余应力和残余变形, 对结构的承载力、刚度和使用性能有一定的影响。此外, 焊接连接刚度大, 局部裂缝一旦发生很容易扩展到整体, 且焊接的塑性和韧性较差, 低温下容易发生脆性破坏。

2.5 铸钢节点

铸钢节点是整体浇筑连接的一种形式, 形状千差万别。根据铸钢节点的内部构造可分为实心铸钢节点、空心铸钢节点和半空心半实心铸钢节点;根据节点形式主要分为铸钢空心球管节点、铸钢支座节点和铸钢相贯节点等。铸钢节点相比以上的节点连接形式, 主要特点[3]为: (1) 整体性好。铸钢节点在厂内整体浇铸, 可避免相贯线切割及重叠焊缝焊接引起的应力集中; (2) 适应性。铸钢节点设计自由度大, 根据建筑结构的不同需要可生产出具有复杂外形和内部结构的节点, 同时也可按受力状况采取最合理的截面形式, 改善节点的应力分布; (3) 应用广。铸钢节点不受节点的形状、位置和尺寸的限制, 不但能用于结构的中部节点, 也能用于支座节点。铸钢节点主要应用在支座节点、杆件节点、锚具夹具等建筑构件中, 具有广阔的应用前景。

3 归纳对比

针对土木工程中常用构件连接节点的类型, 对其优缺点做出了简单的对比, 结果如下。

(1) 榫卯连接:常用结构为木结构。优点:中国独创, 自身组合, 具有视觉美感, 易于拆卸, 抗震性较好;缺点:机械化难度大, 要求精度高, 纵向上具备强度和韧性, 横向容易折断。

(2) 铆钉连接:常用结构为钢结构。优点:种类多, 强度高, 塑性和韧性好, 易于检查;缺点:精度高, 费钢费工, 劳动条件差, 成本高。

(3) 螺栓连接:常用结构为木结构和钢结构。优点:结构简单, 形式多样, 装拆方便, 成本低, 适用于工地安装;缺点:开孔对构件截面有一定削弱, 增加用钢量, 精度要求高。

(4) 焊接连接:常用结构为钢结构。优点:构造简单, 加工方便, 刚度大, 自动化程度高;缺点:焊接容易产生缺陷, 进而发生脆性破坏。

(5) 铸钢连接:常用结构为钢结构。优点:整体浇筑, 适应性强, 应用范围广;缺点:工艺高, 自重较大, 成本较高, 受力复杂。

由土木工程中常用类型节点连接的对比结果可知, 每种节点都有自己独特的优越性和适用性, 我们很难去一概而论哪类节点好, 哪类节点不好, 只有视具体情况而定。

4 结语

随着土木工程的不断发展, 节点连接的形式和种类越来越多, 不同的连接方式具有不同的适用范围。大多数节点的连接形式都在相同性质材料之间适用, 今后节点应该向不同材料构件之间的方向发展, 争取取得突破性的进展。

参考文献

[1]林彦, 刘锡良.铸钢节点的特性及在工程中的应用.第四届全国现代结构工程学术研讨会议论文集;《工业建筑》增刊, 2004, 680-684.

[2]樊宝锋.高层钢结构中梁柱节点的发展状况及思考[J].山西建筑, 2007, 33 (1) :65-66.

节点连接第7篇

广东某特大桥主跨111 m+2×220 m+111 m,主桁采用焊接整体节点,最大节点板焊56 mm,弦杆及拱肋在节点外四面拼接,腹杆与节点大多采用插入式连接,主桁杆件与节点之间采用M30高强螺栓连接,箱形杆件下水平板需设置手孔,手孔位于拼接缝中心处,宽300 mm,箱形吊杆与主桁节点采用四面对接的方式连接。节点刚接指节点完全不转动,节点不但能承担剪力、轴力,还具有足够抗弯刚度,在弯矩作用下变形很小。而节点铰接则指节点能够承担剪力和轴力,但不能承担弯矩。考虑到节点实际设计及施工方案,节点的刚度可能介于两者之间,形成半刚性节点,因此分析节点连接刚度对桥梁受力性能影响具有重要意义。

2模型建立

考虑到结构的连接形式,在施工过程中,杆件的连接刚度是介于刚性连接及铰接两者之间,为了分析结构受力的安全性,对杆件的连接刚度从两个方面进行分析:

1)分析杆件刚接对结构受力性能的影响时,全桥杆件采用刚性连接;

2)分析节点铰接对结构受力性能的影响时,主桁截面采用刚性连接,释放腹杆、横梁、横肋、横联和平联杆件杆端约束,具体见图1。

3结果分析

3.1 边跨施工完成阶段

1)位移结果分析。

边跨施工完成阶段结构在自重作用下最大变形值见表1,图2,图3。从表1可知,在节点刚接和铰接两种情况下,纵桥向最大位移比值相差0.8%,竖向最大位移比值相差3.2%。

2)应力结果分析。

结构在自重作用下的应力情况见图4,图5。由图4,图5可见,当结构刚接时,杆件最大应力为165 MPa,当结构铰接时,最大应力为163.5 MPa。

对边跨施工完成工况在自重作用下各方向变形值和梁单元最大应力值分析可见:当节点在刚接及铰接两种情况下,纵向及竖向两个方向结构变形变化值相差很小,变形相差最大为竖向约3.2%;梁单元的最大应力变化相差很小为0.9%。

3.2 中跨施工完成阶段