组装式钢货架螺栓连接梁柱节点试验[精品资料]

组装式钢货架螺栓连接梁柱节点试验 -精品资料 本文档格式为 WORD,感谢你的阅读。 最新最全的 学术论文 期刊文献 年终总结 年终报告 工作总结 个人总结 述职报告 实习报告 单位总结 基金项目：国家自然科学基金项目（ 50978076） 作者简介：成 博（ 1985），男，河北邢台人，工学博士研究生， Email： 。 摘要：为了研究组装式钢货架中螺栓连接梁柱节点的刚度、承载力和耗能性能，进行了 节点单调加载和反复加载试验。结果表明：改变横梁与连接板的相对位置对梁柱节点的初始刚度、极限承载力和变形特征均有影响；当横梁位于连接板上侧时，节点中承受向上拉力的一侧连接板被螺栓撕裂，此种节点的初始刚度和极限承载力最小；横梁焊接在连接板中下部的 2 种节点在横梁产生较大转角（超过 0.18 rad）后，承载力并没有下降；在单调加载试验中，由于螺栓与螺栓孔壁之间存在着间隙，螺栓会发生滑移，使试件的弯矩转角曲线出现转折；反复加载试验得到的节点荷载转角滞回曲线呈 Z 形，每个加载级的节点能量耗散系数与割线刚度随着加载循环次数 的增加而减小。 关键词：钢货架；梁柱节点；螺栓；刚度；极限承载力；耗能性能 TU392.5 文献标志码： A 0 引 言 组装式仓储货架是应用最广泛的货架类型。为了组装方便，货架的梁柱节点多为挂钩式节点：在横梁的端部焊接一个L 形连接板，连接板上冲压出多个挂钩。组装货架时，将挂钩伸进立柱腹板上的孔洞内，形成挂钩式梁柱节点。此种节点的优点是加工制作容易、组装简便，但是其抗弯性能不稳定，在挂钩和立柱腹板孔壁接触处易发生板件撕裂破坏。另外一种节点则采用螺栓代替挂钩，将立柱腹板和 横梁连接板连在一起。螺栓的使用虽然会使货架装配工作相对复杂，但是可有效改善横梁连接板与立柱腹板之间的传力途径，减缓出现挂钩式节点中的板件撕裂破坏现象。因此，螺栓式节点正得到越来越多的应用。 在组装式货架中，梁柱节点的抗弯性能既影响货架的侧向刚度，又影响立柱与横梁的弯矩分配及承载能力，因此货架梁柱节点是钢结构货架研究的一个重要方面 12。目前，此类研究多数是关于挂钩式梁柱节点的抗弯性能 37，即采用原型试验的方法分析挂钩式梁柱节点的极限弯矩、转动刚度和耗能能力等。近年来，随着螺栓式节点应用的增多 ，对其性能的研究工作也逐渐开始 812。 Gilbert等 13研究了一种螺栓连接梁柱节点的抗弯性能，但这种节点的构造形式与中国使用的节点明显不同，其横梁截面也与中国的货架横梁不同。 为充分了解螺栓式梁柱节点的性能，本文中笔者对此类梁柱节点进行单调加载和反复加载作用下的试验，分析节点的抗弯性能、变形模式和耗能性能等，以期对这种节点的应用与研究有所裨益。 1 试验概况 1.1 试件设计与制作 货架梁柱节点的具体细节因制造厂家的不同而不同，目前还没有关于其抗弯性能的实用 理论分析方法，各国货架规范1416均规定采用试验方法来测定节点的抗弯性能。本文中试件的节点构造见图 1。货架制造厂家所生产的货架立柱型号较多，腹板宽度在 50 mm 与 120 mm 之间。本文中采用一个较小截面的立柱，立柱腹板上有圆形和倾斜矩形孔洞。节点的 L 形连接板的一面焊接在横梁端部，另一面冲切有 2 个圆孔，通过4.8级 M8普通螺栓与立柱腹板上的圆孔相连。连接板与横梁的相对位置 有 3 种，本文中试验共有 3 组 9 个单调加载试件（试件编号分别为 LZSD1 3， LZZD1 3， LZXD1 3）和 2 组 4 个反复加载 试件（试件编号分别为 LZSF1， LZSF2， LZZF1，LZZF2）。对于试件的编号，第 3 个字母表示横梁与连接板的相对位置， S 表示横梁焊接在连接板上部， Z 表示焊接在中部， X 表示焊接在下部；第 4 个字母表示荷载的类别， D 表示单调加载， F 表示反复加载，如试件 LZSF1表示横梁焊接在连接板上部的反复加载试件。 采用拉伸试验来测定立柱、横梁和连接板的材料特性。材性试验标准件是从构件的平直部位上截取的，其中，立柱标准件取自立柱翼缘，横梁标准件的截取位置是矩形钢管的平面中部。构件的材料性能见表 1。 1.2 试验方案 1.2.1 加载装置 本文中选用悬臂梁法进行试验，试验加载装置见图 2。货架立柱水平放置，在其两端的腹板通过 4 个螺栓与槽型连接件连接在一起，槽型连接件再通过短柱和小底梁固定在 L 形反力架的水平部分上。货架横梁竖向放置，其下端连接在立柱中部形 成螺栓式梁柱节点，上端承受拉压千斤顶施加的水平作用力。拉压千斤顶的一端固定在 L 形反力架的竖向部分上，另一端通过力传感器和钢轴与横梁连接在一起。 在进行单调加载试验时，拉压千斤顶施加的是拉力。当试件承载力下降或横梁转角大 于 0.18 rad 时，试验终止。反复加载试验通过控制横梁转角施加往复水平荷载，加载制度共有 4 级，即横梁转角为 0.025， 0.05， 0.075， 0.1 rad，其中，前 3 级每级循环 3 周，第 4 级循环 6 周。在每个加载级开始时，拉压千斤顶先施加拉力，然后再施加推力。 1.2.2 测试内容 本试验采用 3 个位移计 W1 W3测量横梁的水平位移，位移计布置位置见图 2。位移计 W1测量的是拉压千斤顶的伸缩长度，而横梁的转角可通过位移计 W2和 W3的测量值计算得到；力传感器与位移计的信号由信号测试分析系统自动采 集。2 试验结果及分析 2.1 单调加载试验 2.1.1 试验结果与现象 单调加载试验所得到的弯矩转角曲线如图 3 所示，其中， A， B 均为转折点，转角为横梁的转角，弯矩由力传感器的荷载乘以钢轴中心到立柱上表面的垂直距离得到。每组 3 个试件的试验曲线相差不大，其中，只有试件 LZSD1 3 的弯矩转角曲线有下降段。试件 LZSD1的变形见图 4（ a），由于连接螺栓的剪切作用，试件连接板在受向上拉力的部位发生了撕裂破坏，立柱腹板上的螺栓孔由于孔壁受挤压而扩大，同时焊接横梁的那侧连接板产生变形。另 外 2 组试件 LZZD1 3 和LZXD1 3 的抗弯承载力没有降低，试件的变形特征相似。试件 LZXD1的节点连接板没有发生撕裂破坏，但立柱腹板孔洞和节点连接板产生了较大变形 图 4（ b） 。 文献 3， 7中挂钩式梁柱节点试验得到的弯矩转角曲线均有下降段，节点极限抗弯承载力所对应的横梁转角在 0.05 0.15 rad 之间。而本试验中横梁焊接在节点连接板中下部的 2 组试件 LZZD13 和 LZXD1 3 的最大转角均已超过了 0.18 rad，其弯矩仍没有下降，说明相比挂钩式梁柱节点，这 2 组节点具有更强的变形能力。 2.1.2 刚度及极限承载力 试件的初始刚度及极限承载力见表 2。第 1 组试件LZSD1 3 的极限承载力为其最大弯矩，这组 3 个试件最大弯矩所对应横梁转角的平均值为 0.123 rad。其他 2 组试件LZZD1 3 和 LZXD1 3 的极限承载力为其弯矩转角曲线上横梁转角平均值 0.123 rad所对应的弯矩。从表 2 可以看出，LZSD1 3， LZZD1 3， LZXD1 3 这 3 组试件初始刚度相差不大，其中试件 LZSD1 3 的初始刚度较小。横梁与连接板相对位置对试件的极限承载力有一定影响，试件 LZSD1 3 的极限承载力约为其他 2 组试件的 2/3。从初始刚度和极限承载力的角度来看，横梁也应焊接在连接板的中下部。 从图 4 可以看出，梁柱节点的变形主要由 2 个部分组成：一是焊接横梁的那侧连接板的扭曲变形；二是螺栓或挂钩附近的立柱腹板孔洞的变形。这 2 种变形均会引起横梁的转动（图 5），后一种变形相 当于在连接板的螺栓或挂钩处添加一个弹簧。在加载初始阶段，螺栓中的拧紧力使连接板固定在立柱腹板上，节点仅有焊接横梁的那侧连接板的扭曲变形，试验得到的是初始刚度。当横梁所受弯矩大于一定值，使螺栓附近板件接触面所受的剪力大于接触面的摩擦力时，接触的 2 个板件之间会发生相对滑移，直到螺栓孔壁与螺栓接触为止。此后节点的变形包括由螺栓剪切引起的立柱腹板螺栓孔的变形，此时试验得到的是滑移后的刚度，其比初始刚度小。 对比板件参数相同的螺栓式和挂钩式节点，其连接板扭曲变形的大小是相同的，本文中将对比立柱腹板孔洞的变形大小。由于挂钩式节点的挂钩与立柱腹板的孔洞相当于点点接触，立柱孔洞壁受力集中，变形较大。因为螺栓孔壁与螺栓的接触面较大，螺栓式节点的立柱螺栓孔壁的变形会相对较小（图 5）。综上可知，虽然螺栓式节点滑移后的抗弯刚 度小于初始刚度，但其仍会大于板件参数相同的挂钩式节点的刚度。 2.1.3 螺栓滑移 螺栓的直径（实测值为 7.83 mm）小于立柱腹板圆孔直径（实测值为 8.71 mm）和连接板圆孔直径（实测值为 8.39 mm）。当螺栓出现滑移时，试件的抗弯刚度变小，其弯矩转角曲线出现转折。图 3（ b）中，试件弯矩转角曲线有 2 个转折点（ A 点和 B 点）。在 A 点时螺栓附近板件之间开始滑移，而在 B 点时螺栓与螺栓孔壁接触，滑移结束，节点的抗弯刚度变大。将 A 点和 B 点之间的转角差值称为间隙值。从单调加载试验得到的弯矩转角曲 线可知，除了试件 LZSD2， LZSD3的曲线没有明显转折外，其他试件均有滑移现象发生（图 3）。试件LZSD1的间隙值为 1.0810 -2 rad；试件 LZZD1 3 的间隙值依次为 0.9310 -2， 1.0510 -2， 1.5810 -2 rad；试件LZXD1 3 的间隙值依次为 1.6110 -2， 1.0910 -2，1.3610 -2 rad。 螺栓滑移示意如图 6 所示。图 6 中， x1为连接 板的圆孔半径与螺栓半径的差值， x1=0.28 mm； x2为立柱腹板的圆孔半径与螺栓半径的差值， x2=0.44 mm。螺栓、连接板圆孔和立柱圆孔三者之间的相对位置有 3 种状态（图6），其中状态 3 是螺栓滑动结束后三者的相对位置。由于试件各组件的尺寸存在偏差，在组装节点时，螺栓可能处于任何一个状态。若螺栓安装时的位置是状态 3，那么螺栓将不会发生滑移（如试件 LZSD2， LZSD3）；但若螺栓安装时处于状态1，那么螺栓的滑移幅度是最大的，竖向滑移位移 x3=2（ x1+x2） =1.44 mm，所对应的横梁转角 =1.9210 -2 rad。试验得到的节点间隙转角在 0 1.9210 -2 rad 之间，其中多数节点间隙转角在 中间值 0.9610 -2 rad 附近。综上可知，减小螺栓直径与螺栓孔径的差值是减小螺栓滑移量的有效途径。 2.2 反复加载试验 2.2.1 试验结果与现象 反复加载试验中试件 LZSF2， LZZF2的弯矩转角滞回曲线如图 7 所示，图 8 为反复加载下的试件节点变形。从图 7 可以看出，试件滞回曲线的形状呈 Z 形，有捏缩现象，反映出节点内部出现滑移现象，即单调加载试验中出现的螺栓滑移。节点的主要变形是焊接横梁的那侧连接板两边均发生塑性变形，连接板呈现凹形。由于螺栓的挤压，壁厚较薄的立柱腹板的 2个螺栓孔壁产生塑性变形，孔径变大。连接板的凹形变形和螺栓孔的扩大使螺栓滑 2.2.2 耗能能力与割线刚度 能量耗散系数 E 是一个衡量节点耗能性能的重要指标。试件 LZSF2， LZZF2的能量耗散系数与横梁转角的关系曲线见图 9。图 9 中的能量耗散系 数涉及 3 个加载级（横梁转角为 0.05， 0.075， 0.1 rad）。从图 9 可以看出，在每个加载级中，荷载循环的次数越多，试件的能量耗散系数越小。能量耗散系数降低的幅度并不一致，其中第 2 个循环相对于第 1 个循环降低的幅度是最大的。循环荷载试验每 个加载级第 3 个循环的耗散能量与其第 1个循环的比值为 0.46 0.69。 文献 4中进行了 2 种挂钩式梁柱节点的反复加载试验，每个试验仅有一个加载级（横梁转角为 0.05 rad 或0.067 rad）。文献 4中同一试验第 3 个循环的耗散能量与其第 1 个循环的比值为 0.14 0.48，说明挂钩式节点的能量耗散能力随荷载循环增加而降低的幅度比螺栓式节点更大。 采用割线刚度 K 来表示试件的刚度，此参数由每个循环拉、压峰值点的荷载与转角计算得到。试件 LZSF2， LZZF2的割线刚度与横梁转角的关系曲线 见图 10。图 10中的割线刚度涉及 3 个加载级（横梁转角为 0.05， 0.075， 0.1 rad）。同能量耗散系数与转角的关系一样，在每个加载级中，荷载循环的次数越多，试件的割线刚度越小。循环荷载试验每个加载级第 3 个循环的最大弯矩与其第 1 个循环的比值为 0.860.96。 3 结 语 （ 1）改变横梁相对于连接板的位置，对节点初始抗弯刚度的影响较小，而对节点极限承载力的影响较大。只有横梁焊在连接板上部的节点，连接板出现撕裂现象，节点承载力下降。从节点初始抗弯刚度和极限承载力的角度来看，横梁宜焊接在连 接板的中下部。相比于挂钩式节点，螺栓式节点的变形能力和抗弯刚度均较大。 （ 2）在单调加载试验中，由于螺栓与其附近的板件发生滑移，试件的弯矩转角曲线出现转折点。滑移量的大小和螺栓与螺栓孔直径差值有关，因此提高构件的加工精度、减小螺栓与螺栓孔的直径差值对优化节点的抗弯性能很重要。 （ 3）反复加载试验得到的弯矩转角滞回曲线呈 Z 形，有捏缩现象。节点连接板和立柱腹板螺栓孔壁产生塑性变形，滞回曲线的水平滑移段长度随荷载的增大而增大。 （ 4）在反复加载试验的每个加载级中，节点能量耗散能力与抗 弯刚度随加载循环次数的增加而减小，其中能量耗散能力减小的幅度更为明显。螺栓式和挂钩式节点的抗震性能均不太理想，但具有较大变形能力的螺栓式节点可保证货架的完整性，不会出现横梁与立柱脱开的破坏现象。 参考文献： 1 SARAWIT A T， PEKOZ T.Design of Industrial Storage RacksC/LABOUBE R A， YU W W.Proceedings of the 16th International Specialty Conference on Coldformed Steel Structures.Rolla： Missouri University of Science and Technology， 2002： 369383. 2王 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