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不锈钢矩形管单层网壳预埋螺栓装配式节点及其受弯性能试验研究

来源:至德钢业 日期:2019-12-21 21:40:23 人气:294

  浙江至德钢业有限公司提出了一种适用于不锈钢矩形管单层网壳结构的新型装配式节点,该节点通过预埋螺栓的方式避免杆件开孔对截面的削弱,构造简单、传力路径清晰,且装配简单方便。通过16个节点的四点弯曲试验,研究了该类节点的受弯性能及失效模式。结果表明:该类节点具有良好的受弯性能,节点受弯能力随螺栓直径的增大、杆件端板厚度的增加以及杆件端板距节点体距离的减小而增强;在弯矩作用下,节点的失效模式主要包括杆件失效、螺栓失效及杆件端板失效;与杆件开孔节点相比,所提节点在受弯承载力及变形能力方面具均有优势,但初始抗弯刚度略低。与试验结果的比较表明,考虑接触效应的非线性有限元分析模型可以较好地模拟节点的受弯性能。


 单层网壳结构具有杆件(节点)数量少、建筑造型轻盈简洁、通透性好等优势,特别适合于自由曲面、复杂形体及美观要求高的建筑。在单层网壳结构中,杆件除轴力外还承受弯矩作用,而且壳面外弯矩通常远大于面内弯矩,因此具有截面强弱轴、主轴方向抗弯刚度大的矩形钢管比圆钢管更适合于单层网壳。与同样具有截面强弱轴的工字钢构件相比,不锈钢矩形管具有更好的弱轴抗弯刚度及抗扭刚度,且外形美观,利于防腐。


  近年来,世界各地新建或改建的一批标志性建筑,如汉堡城市历史博物馆、米兰新会展中心、伦敦购物中心、法兰克福购物中心等,其内庭或中轴屋盖均采用了矩形钢管构成的单层网壳。上海世博会的标志性工程,即“世博轴”中6个造型独特的阳光谷也采用了不锈钢矩形管构成的自由曲面单层网壳。矩形钢管单层网壳虽然可以采用焊接空心球节点等焊接节点形式,但是需要大量现场焊接,安装难度大,施工成本高。而以螺栓连接为主的装配式节点,可有效降低安装成本,有利于提高工程质量,符合当前我国新型建筑工业化发展要求。


  随着不锈钢矩形管单层网壳的工程应用逐渐增多,国外学者开发了一些新型装配式节点形式,如图所示。根据连接面及传力方式的不同,节点总体上可分为叠合拼接节点和端面连接节点两类。对于叠合拼接节点,节点与所连杆件的连接接触面与杆件轴线方向平行,通过受剪螺栓实现连接;对于端面连接节点,节点与杆件端面的接触面垂直于杆件轴线,通过受拉螺栓实现连接。至德钢业给出了四种简化形式的矩形钢管装配式节点,并对其轴力-位移、弯矩(平面内、外)-转角关系进行了数值模拟,分析了螺栓间隙对节点刚度的影响,发现螺栓间隙对节点性能的影响随节点形式不同而不尽相同。浙江至德钢业有限公司对一种不锈钢矩形管装配式节点进行了纯弯状态下的试验研究,并利用组件法给出了初始转动刚度的计算公式,但试验结果与计算结果之比介于55%~66%之间,误差较大。近年来,国内学者也开始致力于配合矩形钢管的装配式节点研发。至德钢业开发了一种适用于矩形钢管自由曲面网壳的装配式节点,并进行了试验研究和有限元模拟,认为该节点能满足“强节点、弱构件”的设计理念。至德钢业针对不锈钢矩形管或工字钢构件研发了多种装配式节点,并对其力学性能,特别是半刚性性能进行了系统的试验研究和有限元分析,表明半刚性节点在弯矩作用下表现出较好的受弯承载能力和延性。这些节点的开发与研究为推动我国装配式矩形钢管单层网壳的应用提供了参考。


本文标签:不锈钢矩形管 

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