（土木工程专业论文）门式刚架端板初始变形对连接性能影响的研究.pdf

a b s t r a c t 摘要 门式剐架轻型房屋钢结构体系中，端板连接是梁与柱连接所采用的主要连 接方式。端板连接属于半刚性连接，节点的转动剐度影响到结构内力与位移， 在工程实践中，端板与构件焊接导致板件变形，至使接触面不能紧密结合。端 板初始变形对整个节点的影响有多大，对结构有何不利影响，是当前在门式刚 架轻钢结构应用中迫切需要解决的问题。本文基于工程中常见的端板变形形式， 并结合规范要求，对变形所产生的影响作了初步的探讨。 目前工程中的端板变形可分为c 形变形、v 形变形、w 形变形，其中v 形 变形是端板变形的常见形式。本文对不同厚度、不同初始变形的7 个v 形变形 的端板连接试件进行单向加载试验研究，记录了荷载位移曲线并量测了关键部 位的应力，在此基础上重点讨论了各试件对连接的极限承载力与节点转动刚度 的影响。经过程序验证后，本文使用a n s y s 对具有不同厚度、不同初始变形的 1 6 个端板连接试件进行了有限元分析，其端板变形种类有c 形变形、v 形变形、 w 形变形3 种，试件的设计与试验试件相结合，变形大小选取则结合了规范标 准的规定。通过记录荷载位移曲线比较了不同试件的极限承载力与节点转动刚 度的变化，另外通过对不同部位应力变化的观察分析了端板厚度、端板初始变 形对端板、螺栓以及与端板相连板件的影响。 通过上述研究发现：端板变形会降低节点的转动刚度，不同的变形形式降幅 差别较大，对v 形变形影响较小，但对c 形变形、w 形变形的影响较大，不能 忽略；另外端板的变形还会导致螺栓受弯、端板及相连板件产生较大的初始应 力。最后，通过对研究总结得出初步结论，并对设计提出了建议，对制造加工 提出建议控制要求，并对安装提出了建议处理措施。 关键词：门式刚架，端板初始变形，连接性能，试验研究，有限元分析 a b s t r a c t a b s t r a c t e n d - p l a t ec o n n e c t i o ni sam a i nm e t h o do fb e a m t o - c o l u m nc o n n e c t i o ni ng a b l e f r a m e so fl i g h ts t e e ls t r u c t u r e s t h ee n d - p l a t ec o n n e c t i o ni sc l a s s i f i e da ss e m i - r i g i d c o n n e c t i o n ，i nw h i c ht h er o t a t i o n a ls t i f f n e s so ft h ec o n n e c t i o nw i l li n f l u e n c et h e i n t e r n a lf o r c e sa n dd i s p l a c e m e n t sd e v e l o p e di naw h o l es t r u c t u r e i nc o n s t r u c t i o n p r a c t i c e ，w e l d i n go ft h ee n d - p l a t ec o m p o n e n t sw i l li n d u c et h ei m t i a ld e f o r m a t i o n si n t h ee n dp l a t e s ，a n dc a u s eas e p a r a t i o no ft h ee n dp l a t e se a c hs i d ea tt h ec o n t a c t i n t e r f a c e w h a te x t e n tt h ec o n n e c t i o nw i l lb ei n f l u e n c e db yt h ei n i t i a le n d - p l a t e d e f o r m a t i o n ，a n dt h u so na - w h o l es t r u c t u r ea p p e a ra sa ni n e v i t a b l eq u e s t i o ni nt h e c u r r e n td e s i g np r a c t i c eo f g a b l ef r a m e so f l i g h ts t e e ls t r u c t u r e s i nt h i sp a p e r , b a s e do n t h eu s u a ls h a p e so ft h ei n i t i a le n d - p l a t ed e f o r m a t i o n sa n dt h ep r o v i s i o n sg i v e ni nt h e r e l a t i v ec o d e s ，t h ei n f l u e n c e so fi n i t i a le n d - p l a t ed e f o r m a t i o no nt h ep e r f o r m a n c eo f t h ee n d p l a t ec o n n e c t i o n sa r cd i s c u s s e d t h et y p e so fi n i t i a ld e f o r m a t i o ni nt h ee n d - p l a t ec o n n e c t i o n sa r ec l a s s i f i e da sc s h a p e ，vs h a p ea n dws h a p e ，a m o n gw h i c h , t h evs h a p ei sau s u a ls h a p e s e v e n s p e c i m e n so fe n d - p l a t ec o n n e c t i o nw i t hvs h a p ei m t i a ld e f o r m a t i o n ，e a c hh a v i n g d i f f e r e n tt h i c k n e s si nt h ee n dp l a t e ，a n dd i f f e r e n ts i z e so fi n i t i a ld e f o r m a t i o nw e r e t e s t e du n d e rt h eu n i d i r e c t i o n l o a d i n g t h el o a d - d i s p l a c e m e n t c u r v e sa n d m e a s u r e m e n t so ft h es t l c e s si nt h ek e yp o s i t i o nw e r er e c o r d e d t h eu l t i m a t e l o a d - c a r r y i n gc a p a c i t ya n dt h er o t a t i o n a ls t i f f n e s so f t h ec o n n e c t i o n sa l ea s s e s s e da n d d i u s s e d f u r t h e rp a r a m e t r i ca n a l y s e so n1 6s p e c i m e n s ，w h i c hh a v ed i f f e r e n t t h i c k n e s si nt h ee n d - p l a t ea n dd i f f e r e n ti n i t i a ld e f o r m a t i o nw e r ec a r r i e do u tb yt h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m a ) t h ei n i t i a le n d - p l a t ed e f o r m a t i o ns h a p eo ft h e s p e c i m e n sc h a r a c t e r i z e dt h r e et y l ss u c h 勰cs h a p e ，vs h a p e ，a n dws h a p e d e s i g n o ft h ef e m as p e c i m e nc o u p l e sw i t ht h et e s ts p e c i m e n s , a n dt h ed e f o r m a t i o ns i z e c o u p l e sw i t ht h el i m i t ss u g g e s t e di nt h ec o d e s t h ef i n i t ee l e m e n tr e s u l t so ft h e u l t i m a t el o a dc a r r y i n gc a p a c i t ya n dt h er o t a t i o n a ls t i f f n e s so ft h ec o n n e c t i o n sf o r d i f f e r e n ts p e c i m e n sa l ec o m p a r e dw i t ht h et e s tr e s u l t s b e s i d e s ，t h ep a p e ra n a l y z e st h e e f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n n e c t i o n si n d l l c e db yt h ee n d - p l a t et h i c k n e s s ， i i a b s t r a c t i n i t i a ld e f o r m a t i o no c c u r r i n gi nt h ee n dp l a t e ，t h eb o l ta n dt h es t r u c t u r a lm e m b e r s c o n n e c t i n gt ot h ee n dp l a t e i n v e s t i g a t i o ns h o w st h a tt h ei n i t i a le n d - p l a t ed e f o r m a t i o nw i l lr e d u c et h er o t a t i o n r i g i do fj o i n t ，b u tt h ed i f f e r e n ti n i t i a ld e f o r m a t i o ns h a p eh a sd i f f e r e n te x t e n to ft h e e f f e c ti nr e d u c i n gs t i f f n e s s i ta p p e a r st h a tt h ei n i t i a le n d - p l a t ed e f o r m a t i o ns l i g h t l y a f f e c t st h ep e r f o r m a n c ei nt h ec o n n e c t i o nw i t ha ni n i t i a lvs h a p ed e f o r m a t i o ns ot h a t t h ei n f l u e n c eo ft h ei n i t i a ld e f o r m a t i o nc a l lb en e g e c t e d h o w e v e rt h ee f f e c ta p p e a r s p r o m i n e n ti nt h ec o n n e c t i o n sw i t hi n i t i a ld e f o r m a t i o no fcs h a p eo rws h a p e ， t h e r e f o r et h e i ri n f l u e n c es h o u l dn o tb en e g l e c t e d t h ei n i t i a le n d p l a t ed e f o r m a t i o n w i l la l s or e s u l ti n 趾e x t r ab e n d i n gi nt h ec o n n e c t i n gb o l t sa n di n d u c eas u b s t a n t i a l i n i t i a ls t r e s si nt h ee n dp l a t ea n di nt h em e m b e r sc o n n e c t i n gt ot h ee n dp l a t e f i n a l l y , t h ec o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e d ，a n ds o m es u g g e s t i o n sa r eg i v e n ，c o n t r i b u t i n gt h e r e f e r e n c e sf o rd e s i g na n df a b r i c a t i o n k e yw o r d s ：g a b l e 矗a r n e s ，i n i t i a le n d - p l a t ed e f o r m a t i o n ，p e r f o r m a n c eo f c o n n e c t i o n , e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：似许 列年易月弓日 指撒师鹕：钐学位敝储戤：秒一 瓤年 ) r ( e t 妒l 年毛只s e t j 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及韵研究工作做出贡献的其他个人和集 体，t 均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：和吲 刎f 年名月 第1 章绪论 第1 章绪论 钢结构是目前广泛应用的一种建筑结构，与其他建筑结构相比，钢结构具 有强度高、重量轻、塑性及韧性好等特点，因此特别适用于工业厂房、大跨度 建筑、多层高层建筑以及桥梁等建筑。我国改革开放后，随着我国钢产量的迅 速增长和政府关于钢结构行业激励政策的不断出台，钢结构在我国得到迅速发 展i ”。特别是：十世纪八十年代以来，随着一些轻质围护材料、薄壁型钢、h 型 钢的逐步推广使用，轻型钢结构以其结构简单、构件工业化程度高、施工速度 快、造价低等特点得到广泛应用。星前，国内应用最为广泛的轻型钢结构体系 是门式刚架轻型房屋钢结构体系，它是在二十世纪九十年代从国外引进并发展 起来的，其围护结构采用压型钢板，主承重结构为门式刚架，这种结构体系广 泛应用于轻型工业厂房、各种展厅、结构加层以及库房等建筑中。 门式刚架是由梁、柱、节点等组成的结构，它是利用自身构件和梁柱连接 节点的抗弯能力来抵抗水平及竖向荷载的单层抗弯框架。梁柱连接节点在门式 刚架结构中起着极其重要的作用：在正常状态下，它将粱和柱连成一体，形成 结构，有效地抵抗重力、风荷载等外部作用；在强烈地震作用下，梁端或节点 域形成塑性铰，可以吸收和耗散地震能，使结构不至发生倒塌；另外梁柱连接 节点的刚度影响到结构的内力与位移1 2 1 。因此，在学术界和工程界均比较重视对 包括端板连接在内的各类梁柱连接的研究。 1 1 门式刚架结构梁柱连接的形式和分类 1 1 1 梁柱连接的形式分类 梁柱连接按照不同的分类方法，可分为以下几种形式： ( i ) 根据连接方法不同可分为焊接、螺栓连接、铆钉连接和混合连接。 其中螺栓连接又可分为端板连接、短t 型钢连接、角钢连接、盖板连接、带悬 臂梁段连接等多种形式。 ( 2 ) 梁柱之间按其转动约束刚度的大小，可分为刚性节点、半刚性节点和 铰接节点三种。 1 1 2 端板连接的应用及形式 在上述连接形式中，端板连接是我国门式刚架轻型房屋钢结构中梁与柱连 第1 章绪论 接所采用的主要连接方式【3 1 。在我国，门式刚架梁柱截面一般都采用h 型钢，梁 柱与端板采用角焊缝或全熔透对接焊缝连接，在工厂焊接完成，焊接质量可靠； 端板间的连接采用摩擦型或承压型高强度螺栓，现场施工十分方便。 门式刚架端板连接的形式主要可以分为以下几种： ( 1 ) 根据端板的位置和大小，可分为两端外伸式( 图i - l a ) 、一端外伸式( 图 1 1 b ) 、平齐式( 图i - i c ) 。 ( 2 ) 根据端板有无加劲肋分为无加劲肋( 图i - i d ) 和有加劲肋( 图i - l e ) 。 端板加劲肋可以在保证端板刚度的前提下减小端板的厚度，以节省钢 材。 ( c )( e ) 图i - i 端板连接形式 i i 3 刚性、半剐性和铰接连接节点的划分与端板连接的性质 以上三者的划分界限和方法目前尚未有统一标准。文献【4 】认为刚性连接是 指连接受力时梁柱轴线之阔的夹角保持不变，实际使用时只要连接的约束能达 到理想刚接的9 0 以上，即可认为是刚接；铰接是指在外力作用下，梁柱轴线 夹角的改变量达到理想铰接转角的8 0 以上；半刚性连接性能介于以上两者之 间。欧洲规范规定，当节点的初始刚度s j i n i 不小于以下规定值时为刚性节点： 无支撑结构为2 5 e x t j l b ，有支撑结构为8 e i b l b ，其中e i d l b 为梁的线刚度系数； 当节点的初始刚度s j 0 5 e i b l b 时，节点为铰接；刚接与铰接之间的部分为半 刚接【5 】。r h a n s a n 和n s 1 1 i 等人的研究表明，当螺栓端板连接初始刚度大于 1 0 50 5 k n r r d m d 时，这种连接才可以看作刚性连接【6 j 。在通常情况下，螺栓连接 的节点刚度约为k = ( 2 1 0 ) x 1 0 4 h n m t a d ，粱柱连接节点的端板连接属于半刚性 连接，文献【7 】也说明了这一点。目前我国还没有半刚性连接的设计方法，目前 规范仍然把端板连接作为刚性连接或铰接进行设计，只计算强度而不计算刚度 2 第1 章绪论 3 , 8 , 9 , 1 0 1 。欧洲规范对于半刚性连接要求以节点的弯矩一转角曲线为依据，且能够 承受设计的内力。 1 2 端板连接性能的研究 1 2 1 影响端板连接性能的因素 端板连接是用螺栓将其中一个构件端部焊接的端板与另一构件的端板或柱 翼缘拼接起来的一种连接形式。在2 0 世纪6 0 年代出现了高强螺栓连接工艺后， 端板连接的研究与应用也开始了。由于端板连接由多个较小的连接件及板件组 成，各连接件之间存在着复杂的接触问题，再加上螺栓的紧固预拉力、端板的 初始变形、节点不同的连接构造措施等，都使端板连接的研究成为一个复杂的 问题。端板的连接性能与很多因素有关：如端板厚度、是否设置加劲肋、螺栓 的数目与排列方式，以及端板的初始变形等。国内外学者为此作了大量的研究 工作。 1 2 2 与端板连接相关的研究概述 从6 0 年代开始，各地的学者开始采用各种手段对端板连接进行研究。开始 主要手段是单向加载试验和传统的塑性力学理论分析，进入7 0 年代后出现了有 限元分析，8 0 年代出现了循环加载试验研究。 1 2 2 1 单向加载试验研究 单向加载试验研究主要通过对不同的螺栓排列、不同的端板厚度或端板形 式、不同梁柱截面形式等多种端板连接试件进行单向加载试验，研究螺栓及端 板的受力、端板撬力的影响、节点转动能力或端板连接节点的破坏形式等，最 终提出端板连接的设计方法或建议。此类试验有g r u n d y 1 l 】进行的梁与梁采用一 端外伸式端板连接的单向加载试验以及c h a s t e n 1 2 】进行的梁柱端板连接试验等。 g r u n d y h i 进行的试验主要研究端板厚度对连接性能的影响。试验分两组， 每组端板厚度不同，拉区设8 个高强螺栓，有m 2 0 和m 2 4 两种规格，荷载为弯 矩和剪力共同作用，梁截面尺寸较大，以保证连接发生破坏。研究发现：靠近 梁腹板的端板内力比远离腹板的大：撬力使端板内力增加1 0 1 5 ；厚端板试 件的破坏形式是螺栓断裂，而薄端板试件的破坏形式是端板与梁翼缘的焊接处 发生脆性断裂，这说明连接的破坏形式与端板厚度有关；最后文献还提出了端 板连接的设计方法与建议公式。 c h a s t e n l l 2 1 进行了7 个梁柱端板连接试验，其端板厚度采用2 5 4 m m 和l9 m m 第1 章绪论 两种，未设加劲肋。其试验结果显示，端板厚度对连接的屈服荷载影响最大，厚 端板的屈服荷载为7 0 7 4 m p ，薄端板的屈服荷载为4 4 m p i 厚端板撬力合 力的作用点较薄端板向外侧移动，撬力使螺栓的内力增加o 3 0 5 5 倍；连接的 破坏形式有三种：端板在螺栓处剪切破坏、螺栓断裂以及端板与梁翼缘的焊接 处发生脆性破坏。文献最后提出了计算撬力的方法。 l - 2 2 2 循环加载试验研究 循环加载试验主要通过对不同端板连接试件进行循环加载试验，研究端板 连接的滞回性能，分析其破坏形式，提出增强端板连接延性的方法及其他设计 建议。此类试验有郭兵等学者的梁柱端板连接节点的滞回性能试验研究 1 3 , 1 4 1 以及 w a n g y a h 等学者在青岛做的循环加载端板试验研究【”】等。 郭兵【1 4 】进行了8 个梁柱端板连接试验，端板厚度有1 2 m m 、1 5 m m 、1 8 m m 、 2 5 m m 四种，且端板考虑了有加劲肋和无加劲肋两种情况，另外柱端施加有轴压 力。研究发现：端板连接节点有良好的塑性变形能力；薄端板试件的破坏形式 均为梁翼缘与端板间的焊缝撕裂，梁未形成塑性铰；增加端板厚度和设置端板 加劲肋可以提高端板刚度，提高延性和耗能能力，保证梁形成塑性铰前连接不 破坏；增加端板厚度和设置端板加劲肋可以使撬力显著减小，但当端板厚度超 出一定范围时，加劲肋作用不明显。 w a n g y a h0 5 等做了4 个端板连接试验，端板的厚度有1 2 m m 和1 6 m m 两种， 端板无加劲肋，螺栓规格m 1 6 ，柱端有轴压力。试验滞回曲线饱满，结论认为端 板具有良好的延性和耗能能力，端板厚度对连接的延性影响最著，并建议设计 时端板厚度宜较柱翼缘厚度大4 6 m m 。 在所有试验研究中，考虑的多是不同端板厚度、不同螺栓排列形式、不同 端板形式、端板是否设置加劲肋及撬力作用等对端板连接的影响，尚未发现有 端板初始变形对连接性能影响方面的试验研究。 1 2 2 3 有限元研究 有限元研究可以弥补节点试验成本高的不足，可以全面的模拟端板连接的 破坏过程，而且可以综合考虑各种因素的影响，是当今学术研究的主要手段。 多年来许多学者借助于有限元对端板连接进行模拟分析。在有限元研究中多数 为单向静力荷载研究，如c h a s t e n 也悃a d i n a 对端板进行了研究，荆军【j 7 】等学 者用s a p 9 3 对门式剐架端板连接进行模拟分析以及匡祯斌【1 6 】等学者用a n s y s 对端板连接进行的分析等：也有少量进行循环荷载作用下端板连接性能的有限 一4 第1 章绪论 元分析，如郭兵曾用a n s y s 对端板连接进行循环荷载作用下的分析。 c h a s t e i l 【1 习用商业程序a d i n a 8 1 研究了端板的撬力和剪切问题，假设柱翼 缘为刚体，端板和梁翼缘采用壳单元，梁腹板采用平面应力单元，端板与柱翼 缘间采用隔离体单元，螺栓采用两节点杆单元，螺栓预拉力通过施加初应变实 现。板件为各向同性弹塑性强化模型，强化阶段的模量取o 1 e 。文献提供了计 算撬力及端板剪力的公式。 荆掣7 】等学者用s a p 9 3 对外伸式、外伸加肋式、平齐式端板连接节点进行 了分析，端板和螺母采用实体单元，螺杆采用杆单元，梁翼缘和腹板用板单元， 采用边界元模拟连接板间的接触面。结论认为外伸式节点受力合理；螺栓最大 拉力为受拉翼缘内侧第一排螺栓，当外伸式端板采用加劲肋时，外侧螺栓内力 接近内侧螺栓，端板厚度增加可以减小螺栓的拉力；另外，文献指出端板连接 实际属于半刚性连接。 匡祯斌f 16 】等学者用a n s y $ 对端板连接节点进行了单向加载分析，模型全部 采用八节点实体单元s o l i d 4 5 来模拟，端板接触面采用面一面接触单元 t a r g e l 7 0 和c o n t a l 7 4 来模拟，接触面摩擦系数为0 4 ，螺栓的预拉力采用预 拉力单元p r e s t l 7 9 来模拟。材料强化模型采用多线性随动强化准则。分析发 现，随着端板厚度的增加，节点初始转动刚度增大，薄端板厚度变化对初始转 动刚度的影响较厚端板明显；此外文献还对端板的接触状态进行了分析。 郭兵1 1 4 】曾对5 0 余种考虑不同参数的梁柱端板连接节点用a n s y s 进行了循 环加载的有限元分析，模型全部采用1 0 节点实体单元s o l i d 9 2 来模拟，端板接 触面采用面一面接触单元t a r g e l 7 0 和c o n r a l 7 4 来模拟，接触面摩擦系数为 0 4 。螺栓本构模型取各向同性强化，板件取运动强化模型。文献通过对试件计 算的滞回曲线做的分析和比较，探讨了各参数( 端板尺寸、柱的轴压比、梁端 剪力大小、柱翼缘与腹板的尺寸和宽厚比、螺栓的级另瓤直径、数量、排列方 式和预拉力等) 对连接性能的影响，并提出了抗震对策与设计建议。 值得特别指出的是，在有限元研究方面与端板初始变形有关的虽然较少， 但目前已检索到的以下两篇相关文献。 w h e e l e r t ” 采用商业程序a b a q u s 做了有限元研究。方管梁采用8 节点 线性块单元；端板、螺栓采用8 节点线性混合块单元，螺栓的模型相对比较精 细；螺栓头和端板间、螺栓杆和孔壁间都设置( 无摩擦) 界面元，其中螺栓头 和端板间的接触元用来阻止二者的相对滑移，螺栓杆和孔壁间的接触元用来防 第1 章绪论 止二者的相对“穿透”。板件和螺栓的材 料模型都为弹性一塑性一强化模型。文献 考虑了端板的初始残余变形，变形按线 形分布考虑，当端板厚度为1 2 、1 6 、 2 0m m 时，占。分别取3 0 、1 5 、1 0 m m ( 图 1 - 2 ) 。研究发现：端板的初始变形降低 了连接的刚度，作用不可忽略；当端板 与梁采用对接焊缝时，焊缝对连接的强 出 一 一 1 图1 - 2 端板的初始变形 度、刚度几乎没有影响，但采用角焊缝时，影响较大。 郭兵等学者1 8 1 采用a n s y s 对端板有初始交形的外伸式端板连接进行了 有限元分析。所有板件和螺栓都采用l o 节点四面体二次单元，柱简化成刚性板， 螺栓头和相临板件间、端板与刚性板间都设置摩擦接触单元。板件和螺栓的材 料模型、都为线形强化弹塑性关系。文 献考虑了端板的初始残余变形，变形按 线形分布考虑，当端板为4 4 0 x 1 5 0 x 1 6 m m 时，万d 分别取4 0 、2 0 、0 0 r a m ，当端 板为7 8 0 x 2 0 0 x 2 0 m m 时，占口分别取6 0 、 3 0 、0 0 r a m ，( 图1 3 ) 。研究发现，端板 初始变形对整个连接的雕度有较大影 图l - 3 螭板的初始变形 响，初始转动刚度的降低幅度随初始变形的增大而增加；随端板高度的增加， 节点刚度对端板的初始变形越来越敏感；初始变形加剧了端板对螺栓的撬力作 用，使拉区的螺栓承受拉弯的作用。 1 3 端板的初始变形问题和本文的研究工作 端板与构件经过焊接及矫形后，端板位置或多或少的存在着焊接残余变形， 在目前国内的实际工程实践中，由于工艺及条件限制，施工单位对端板初始变 形的控制往往达不到十分严格，许多端板存在一定的初始变形，致使端板安装 完毕连接面不能紧密接触，图1 - 4 即为栖霞环盾公司车间和莒县某造纸厂车间钢 结构工程端板连接节点安装完毕后实际变形情况，从图中可以明显地看出，在 梁柱连接的端板位置，由于端板的初始变形致使梁腹板位置端板存在较大的缝 隙，连接面不能紧密接触。端板初始变形对整个节点的影响有多大，对结构有 一6 一 第1 章绪论 何不利影响，是当前在门式刚架轻钢结构应用中追切需要解决的问题。 栖霞环盾公司车间 首县某造纸厂车间 图1 - 4 端板实际变形图片 1 3 1 规范中对端板初始变形的规定。 在1 9 9 9 年颁布的门式剐架轻型房屋钢结构技术规程i t 9 1 ( c e c s l 0 2 ：9 8 ) 中对此初始变形的方向及大小做了相关规定。规程规定的端板的初始变形如图 1 5 a 所示，大小与端板高度有关，应满足表1 1 中的要求。在2 0 0 3 年颁布的新 的门式刚架轻型房屋钢结构技术规 程( c e c s l 0 2 ：2 0 0 2 ) 中要求端板应满 足我国建筑工业行业标准 j g l 4 4 2 0 0 2 门式刚架轻型房屋钢构 件【2 0 1 中的规定，该标准规定端板的 初始变形如图1 5 b 所示，其变形值c 的允许偏差为聊3 0 0 ( 为端板的高 度) 圈l 与规范中的变形 表1 - 1c e c s l 0 2 ：9 8 中要求螭板变形对照衰 端板高度 允许偏差c 小于6 1 0 r a m ”0 ( 只允许凹进) ；- o 6 1 0 m m 1 2 2 0 m m + 5 0 ( 只允许凹进) ：一0 大于1 2 2 0 r a m + 6 0 ( 只允许凹进) ；0 第1 章绪论 1 3 2 端板连接常见的初始变形的调查 门式刚架轻型房屋钢构件所示的初始变形为端板凹进。在实际加工中， 焊接对于腹板连接处的端板产生的残余 变形主要由于腹扳在端部焊接时焊缝纵 向收缩导致的凹进变形，但对于端板外伸 部分来说，由于对翼缘与端板连接焊缝焊 接时不均匀的温度场，其端板外伸部分将 出现向焊接一侧的角变形，此部分变形方 向与中部端板产生的残余变形对外伸部 y a ，f 泞 j 图1 - 6 端板变形 分的影响相反。这是根据残余变形产生的原因得出的，经过对加工单位的走访 我们也得到同样结果。这使端板的实际变形与规范给出的变形限制形状有了出 入。另外，在加工中，端板外伸部位的变形较容易矫正，所以加工完毕后，一 般情况下端板外伸部分能保持较为平直，在端板中部则存在凹进变形( 见图1 6 ) 。 ( a ) 端板的初始变形量测 端板端部的变形( c ) 端板中部的变形 图1 7 某工程端板的变形情况调查 以下是对一些实际工程中端板变形的情况调查，如图1 7 和表1 - 2 所示。由 调查的结果可以看出：腹板位置的端板均为凹进，变形的大小一般随端板的高 度的增加或端板的减薄而略大；外伸位置的端板一般变形较小。根据调查的情 况并结合规范，我们将端板整体的变形形式分为如图卜8 所示的三种。( a 1 为c 形变形，是规范考虑的变形形式，实际工程中较少存在；w 形变形也是工程 中可能出现的变形形式，外伸处变形一般较小；( c ) v 形变形是端板变形的常见 形式。 第1 章绪论 表1 - 2 靖板变形的情况调查表 名称端板尺寸是否设加劲a 点变形( r i l i l l ) b 点变形( m m ) 肋( y n ) 栖霞某生产车间8 0 0 】【2 0 0 x 2 0 n15 栖霞某生产车间8 0 0 x 2 0 0 x 2 0n16 栖霞某生产车间8 0 0 x 2 0 0 x 2 0 n- 0 53 日照某铝板加工车间9 7 0 x 2 2 0 x 2 0 yo1 日照某铝板加工车间 9 7 0 x 2 2 0 x 2 0y0 5 、2 5 日照某铝板加工车间9 7 0 x 2 2 0 x 2 0y 12 日照某铝板加工车间 6 2 0 x 2 2 0 x 2 0y02 日照某铝板加工车间 6 鲁。) 晓2 0 x 2 0y0 5t 日照某铝板加工车间6 2 0 x 2 2 c 2 0yoo 5 日照某综合车间6 8 0 x 2 0 0 x 1 8 y0 51 5 日照某综合车间 6 8 0 ) 【2 0 0 x 1 8yoo 5 日照某综合车间 6 8 0 x 2 0 0 x 1 8y o 0 日照某综合车间 6 8 0 x 2 5 0 x 1 6y0 32 5 日照某综合车间 6 8 0 x 2 5 0 x 1 6yo1 5 日照某综合车间6 8 0 x 2 5 0 x 1 6y ol 菖县某造纸车间7 6 5 x 2 2 0 x 1 8 yl4 莒县某造纸车间 7 6 5 x 2 2 0 x 1 8y13 5 莒县某造纸车间 7 6 5 x 2 2 0 x 1 8y 02 苗县某造纸车间5 8 0 x 2 0 0 x 1 6y 02 莒县某造纸车间 5 8 0 x 2 0 0 x 1 6y0l 莒县某造纸车间5 8 0 x 2 0 0 x 1 6 yo 51 5 济南某汽车展厅 9 2 5 x 2 8 0 x 1 8y- 0 54 济南某汽车展厅 9 2 5 x 2 8 0 x 1 8y1 55 济南某汽车展厅 9 2 5 x 2 8 0 x 1 8yo 54 9 一 第l 章绪论 续表i - 2 名称端板尺寸是否设加劲 a 点变形( r a m ) b 点变形( m m ) 肋( v n ) 济南某汽车展厅1 0 2 5 x 3 4 0 x 2 2 yo4 济南某汽车展厅 1 0 2 5 x 3 4 0 x 2 2y0 6 济南某汽车展厅1 0 2 5 x 3 4 0 x 2 2y- 16 长清某电子车闻9 5 0 x 2 5 0 ) 【2 2 y o3 长清某电子车间9 5 0 x 2 5 0 x 2 2y0 51 长清某电子车间9 5 0 x 2 5 0 x 2 2yo1 ( a ) c 形变形 i，丁 g 、l c ( b ) w 形变形( c ) v 形变形 圈1 - 8 靖板初始变形的形式 c l 。3 。3 端板连接初始变形研究中存在的问题 尽管国内外学者已针对端板连接初始变形做了一定的研究工作，但还存在 着不足之处。 首先，有限元研究方面： ( 1 ) 由于端板连接的几何组成较为复杂，为降低有限元计算成本，在前面 所有文献中，连接的有限元模型都做了简化，如将柱简化成刚体，或梁柱的长 度取的较短等，与实际情况有一定的区别。要真实地模拟端板连接，应采用完 整的空间模型。 ( 2 ) 在端板连接的初始变形方面，多数端板连接有限元研究中未考虑。在 已经检索到的仅有的两篇有关端板初始变形的文献中，：w h e e l e r 的研究是对方管 梁柱连接的端板来说的，其端板所考虑的初始变形与门式刚架h 型钢梁柱的实际 焊接残余变形及c e c s l 0 2 ：9 9 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程以及 1 0 第1 章绪论 j g l 4 4 - 2 0 0 2 门式刚架轻型房屋钢构件规定的允许变形的方向不一致；在郭兵 等学者的研究中，尽管选用的是h 型钢梁柱连接节点及采用与规范相同的焊接 残余变形方向，但在分析中将端板变形做了简化( 图1 3 ) ，且其变形形式与实 际的端板变形形式( 图1 8 b 、1 8 c ) 亦有所出入。 其次，在试验研究方面，由于端板连接是复杂多样的，仅靠试验无法全面 反应各种几何尺寸、构造等参数对连接性能的影响，与端板初始变形方面有关 的试验资料目前尚未发现；另外钢结构的构件截面尺寸较大，导致许多试件只 能缩尺模拟，然后再推广到大尺寸的连接中，尺寸效应必然带来一定的偏差。 1 3 4 本文的研究工作 我国门式刚架工程应用起步较晚，门式刚架技术规程的颁布最早在9 8 年， 围绕门式刚架端板连接节点进行的研究尚不完善，特别是国内外有关端板初始 变形研究的资料不多。拟通过本文的研究，结合国内在门式刚架端板施工中的 实际情况，弄清端板初始变形对端板连接性能的影响，为设计和施工提供可靠 的资料及技术依据，这是非常具有理论及现实意义的。具体工作如下： ( 1 ) 在门式刚架轻钢结构厂房中取出梁柱端板连接节点部分单元，结合端 板常见变形形式，给端板一定的初始变形，制作7 个端板连接试件，用单向加 载试验的方法进行分析研究。 ( 2 ) 用三维非线形有限元研究几种初始变形下的端板连接。梁、柱均按真 实情况模拟，充分考虑端板间、螺栓头与相邻板件闾、螺栓与孔壁间接触问题， 保证研究工作的准确。 ( 3 ) 通过对单向加载试验及有限元研究的结果进行系统的分析，研究端板 连接性能与端板初始变形之间的关系，得到端板初始变形的大小对梁柱节点连 接乃至整个结构有何影响的初步结论，提出加工制造、设计等方面的建议。 本文共分五章，各章的主要内容如下： 第一章，绪论。介绍了端板连接的应用和研究现状，包括试验研究及有限 元研究，在此基础上指出了前人研究的不足；另外对端板的初始变形情况进行 了调查分析，提出了端板初始变形的常见形式以及可能出现的形式；最后简单 介绍了本文的研究方法。 第二章，有初始变形端板连接的试验研究。试验包括三部分：材料性能试 验、摩擦面抗滑移系数试验和考虑端板初始变形的端板连接性能试验。端板连 接试验根据端板初始变形的常见形式，考虑了端板厚度及变形大小对连接性能 第1 章绪论 的影响。 第三章，有限元程序验证。针对本文采用的a n s y s 有限元方法做了简单的 介绍，并用a n s y s 对两个试件进行了分析，验证程序。 第四章，有初始变形端板连接的有限元研究。针对端板可能出现的形式， 对不同厚度，不同变形大小的端板连接进行单向加载的有限元分析，考察以上 各参数对端板连接性能的影响。 第五章，结论。根据第而二、四章的研究成果，得出端板的初始变形对连 接性能影响的结论，提出对设计、制造加工的建议，并提出下一步工作的方向。 第2 章门式剐架端板初始变形对连接性能影响的试验研究 第2 章门式刚架端板初始变形对连接性能影响的试验研究 在第1 章已经述及，考虑端板初始变形的端板连接试验在国内外暂未发现。 为研究端板连接初始变形对端板连接性能的影响，本文做了三个相关试验，第 一为钢板材料性能试验，第二为摩擦型高强螺栓连接的抗滑移系数试验，第三 为考虑端板初始变形的端板连接性能试验。 2 1 钢板材料性能试验 钢板材料性能试验为单向拉伸试验，主要用来测定钢材在单向拉伸状态下 的力学性能指标，如弹性模量e 、屈服应力o ，、屈服应变e ，、抗拉强度o 。、 伸长率等，以便为试验设计及有限元分析提供相关参数。 材料性能试验试件按照钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备 g b 厂r 2 9 7 5 - 1 9 9 8 【2 l l 的要求从母材中切取，然后根据金属拉伸试验试样 g b 6 3 9 7 8 6 2 2 的规定将样胚加工成试样。所有试样均与梁柱端板连接试件同期加 工，试样表面处理同母材，每种厚度钢板的试样为两个，共四种钢板八个试样， 试样为板状矩形试样，长3 0 0 m m ，宽2 5 m m ，试件取样后应去除冷作硬化区。试 验在拉力试验机上进行，试验结果如表2 1 ： 表2 1 稍板单向拉伸试验结果 试件编屈服应力o ，屈服应变e ，抗拉强度o 。弹性模量e伸长率 厚度号 ( n l m m 2 )( )( n m m l0 0 m m 2 )( ) 8 m ml3 0 5 20 1 6 l4 6 3 o1 8 9 63 3 5 2 2 9 6 6o 1 5 24 3 8 31 9 5 13 6 8 1 0 r a ml2 8 9 8、0 1 4 14 4 5 12 0 5 53 7 1 23 0 2 1 0 1 4 5 4 7 2 52 0 7 6 4 0 4 1 6 m m l 2 9 3 30 ；1 5 04 5 3 1 1 9 5 53 5 8 22 8 6 8o 1 3 94 4 3 32 0 6 33 4 5 2 4 m m12 8 2 80 1 4 14 5 3 22 0 0 63 5 2 22 8 6 50 1 4 64 3 8 51 9 6 23 3 9 根据g b 7 0 0 8 8 标准吲，试样能够符合碳素结构钢q 2 3 5 b 钢板力学性能要 第2 章门式刚架端板初始变形对连接性能影响的试验研究 求，其中屈服强度名义值与实际值之比为1 2 1 3 ，强度偏高，可能与由于抛丸处 理时高速钢丸冲击对试样有一定的硬化作用有关。根据试验结果，钢板的应力 应变关系可