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模块化装配式结构高强螺栓剪切与挤压建筑性能研究

时间:2018-10-24 21:50来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇建筑工程论文,建筑工程为建设工程的一部分,与建设工程的范围相比,建筑工程的范围相对为窄,其专指各类房屋建筑及其附属设施和与其配套的线路、管道、设备的安装
本文是一篇建筑工程论文,建筑工程为建设工程的一部分,与建设工程的范围相比,建筑工程的范围相对为窄,其专指各类房屋建筑及其附属设施和与其配套的线路、管道、设备的安装工程,因此也被成为房屋建筑工程。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇建筑工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 课题研究背景
随着国家经济社会的迅猛发展以及乡村振兴建设和城镇化建设步伐的加快,住房和其配套的基础设施都将成为全国建设的主要挑战之一。同时,新型城镇化要求以人为本,统筹推进城乡发展,保护好生态环境,让市民能够安静,舒适的享受这样的环境。因此,建筑产业化势不可挡,为满足城乡一体化和乡村振兴战略进程快速推进的迫切需求,住宅产业化是条切实可行的道路,住宅产业化通过工厂流水线的生产方式,提高工程施工效率、降低建筑施工成本[1]。2016 年 9 月,国务院办公厅对外发布《关于大力发展装配式建筑的指导意见(国办发(2016)71 号)》,这也标志着国家将装配式结构发展上升到国家层面,正式将发展装配式建筑上升为国家战略。在国家产业转型升级和持续推进供给侧结构改革这个关键节点上,去过剩产能比如钢铁已是迫在眉睫,因此,模块式装配式结构市场前景广阔。装配式结构是指房屋的主要构配件、零部件在制式化工厂车间流水线加工制作完成后运到施工地进行组装、拼接的模块化装配式建筑,该建筑具有设计制造周期短、全周期一体化、抗震性能比一般建筑优越、建筑空间大布置美观大方、有效使用面积宽敞、综合经济效益高等许多优点[2]。而在装配式结构中,钢结构作为新世纪一种绿色节能环保的新型建筑体系被广泛的应用。相较于传统的钢筋混凝土结构,砌体结构以及木结构等,其可以有效的减少污染物的排放量,减少施工过程中产生大量的粉尘污染,因此,大力推广并发展装配式钢结构,这不仅与国家提倡的新型城镇化和建筑产业化相契合,同时有助于国家化解过剩的钢,并对建筑产业进行升级改造。在装配式结构中,各个构件之间连接决定着建筑的质量,在钢结构中构件间连接常用形式有焊接、铆钉连接和螺栓连接。其中螺栓连接包括有普通螺栓连接及高强螺栓连接两种连接形式,相较于普通螺栓,高强螺栓有易于安装、施工方便、应力传递均匀、高承载力、刚性好、耐疲劳、受力性能好等优点而被广泛应用于建筑结构的连接中。而高强螺栓连接按受剪切时的极限状态不同,可分为摩擦型连接和承压型连接。这其中,摩擦型高强度螺栓受剪承载力的设计准则是外荷载引起的对螺杆的剪力不超过被连接件之间的摩擦力;承压型高强度螺栓连接时以螺杆不被剪坏或连接板件不被拉坏为设计计算准则。高强度螺栓连接主要依靠高强度螺栓施加强大的预紧力,使杆件之间产生压力,由此而传递外力[3]。国际上开始研究这个领域都是受到美国在高强螺栓这个领域研究和普及的影响,日本与德国相继对高强螺栓开始研究。我国在高强度螺栓连接方面的研究和应用,与传统的工业强国相比,虽然起步有点晚,但是近年来无论是高强度螺栓在连接方面的理论研究,还是在建筑、桥梁等工程实践中的应用,都有很大的进步和快速的发展[4]。通过近几年的科学研究和工程实践探索,当前,我国在高强螺栓这一领域的水平已经可以和世界工业强国相媲美,例如在港珠澳大桥和贵州全球最大的球面射电望远镜中都有应用。
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1.2 国内外研究现状
就高强螺栓的性能及应用效果,国内外很多专家学者做了大量的试验研究和有限元模拟。Mccarthy M A、Mccarthy C T 和 Lawlor V P[5]研究针对于受力复杂的高强螺栓在弹塑性阶段的受力性能对节点的影响无法准确的把握,作者提出对受力复杂的关键节点的高强螺栓使用实体单元进行精细化模拟,可以确切地展现出螺栓的预紧力变化、摩擦力大小、接触面、屈服变形等各阶段的线性与非线性特性。Gray P J[6]等提出利用壳单元来模拟螺栓连接构件以及螺栓本身。K F Chung 和 K H Ip[7]建立了三维固体元素轴承在剪切与挤压作用下螺栓连接失效的有限元模型,并借此分析螺栓剪切失效的 3 种形式。Anant R.Kukreti、M.Ghassemieh 和 Thomas M.Murray[8]经过对加强的连接端板进行了三维立体的有限元分析,对多种不同尺寸的模型的模拟计算结果进行了回归分析,最后总结出了螺栓位移、应变和螺栓拉力的以对数形式建立的表达式,同时经过试验验证其公式的可靠性。
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2 高强螺栓剪切与挤压的基本原理
 
高强螺栓连接的抗剪性能要考虑的既包括开始的摩擦阶段,也包括后续的剪切挤压阶段,所以在这里就不再具体分摩擦型连接和承压型连接的高强螺栓。在整个过程中不管是主要靠摩擦抵抗外力的阶段还是螺栓杆与盖板芯板挤压的过程中都有摩擦力的存在。接下来,就对我国、美国及欧洲的规范和单栓受力情况作简要的介绍。
 
2.1 高强螺栓连接的规范计算
 
2.1.1 我国规范计算方法
高强螺栓的抗剪承载力是主要由螺杆来承担,同时还有部分来自板叠间的摩擦阻力。高强螺栓抗剪承载力是指作用于螺栓的外力与螺栓的轴线垂直,这时螺栓抵抗外力作用的极限强度就叫高强螺栓的抗剪承载力。高强螺栓必须对其施加预紧力才可以起到其应有的作用,预紧力的大小对高强螺栓的承载力有很大的影响。钢结构设计规范 GB50017-2003[21]对 8.8 级和 10.9 级高强螺栓在不同直径下的预紧力值给出明确规定,具体数值见表 2.1。公式中对摩擦型连接考虑了摩擦面抗滑移系数、实际的摩擦面数目、对高强螺栓施加的预紧力值的大小以及抗力分项系数等几种因素对高强螺栓抗剪承载力的影响,抗力分项系数是针对在螺栓承载力设计中为保证所设计建筑的安全性、可靠度及抗震性而抵消一些不确定的外界影响而设立的风项系数。规范中取抗力分项系数为 1.111,所以有 1/1.111=0.9。
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2.2 高强螺栓连接构件的理论分析
高强螺栓连接同其它连接原理基本相同,就是在连接过程中传递剪力和拉力等,但与焊接等的剪力的传递方式不一样[26]。高强螺栓摩擦型连接主要是靠给板件间施加预紧力而产生的摩擦力抵抗剪力,高强度摩擦型螺栓连接在荷载的作用下,被连接构件间即将产生相对滑移的临界状态的摩擦力,作为摩擦型高强螺栓极限承载力。摩擦型连接板件间不可以滑动,螺栓与孔壁间应有预留间隙,不存在剪切与挤压作用,产生滑移就意味着螺栓失效。高强螺栓承压型连接除了摩擦力作用外还有螺杆的抗剪承载力抵抗,所以承压型连接比摩擦型连接抗剪承载力高。但是,根据规范可知同一级别的高强螺栓的抗剪承载力低于普通螺栓,如 8.8 级就是如此,主要是因为普通螺栓在安装时不需要施加预紧力,也就对螺栓没有轴向的拉力或者轴向的拉力很小,而对于高强螺栓必须施加足够大的预紧力,这就使得高强螺栓在承受着拉力与剪力的共同作用,因此高强螺栓的抗剪承载力低于普通螺栓。对于高强螺栓摩擦型连接在设计计算时要考虑孔前传力,对于承压型连接则不需要考虑。孔前传力是指钢结构构件通过摩擦型高强螺栓连接时,由于螺栓孔的应力集中对构件形成了削弱作用,计算时考虑螺栓孔对螺栓形成的削弱截面部分内力已经由摩擦力在孔的前面传走[27,28]。因此,验证连接构件所承受的强度大小时,不仅要考虑作用的力的大小,方向,还应考虑孔前传力的削弱作用。但是规范对承压型高强螺栓连接没有考虑孔前传力,实际工程中承压型连接也存在着摩擦力,所以建议在承压型连接计算中也应该考虑孔前传力的作用。
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3 高强螺栓剪切与挤压有限元分析 .........27
3.1 模型的建立 .............28
3.2 模型验证 ......33
3.3 不同要素下计算结果的比较 .......39
3.4 模拟现象分析 .........54
3.5 本章小结 ......55
4 高强螺栓抗剪简化模型的确定 .............56
4.1 抗剪简化模型的建立 ........56
4.2 抗剪简化模型特征点的确定 .......57
4.3 荷载-位移曲线各阶段栓杆本构关系.....62
4.4 本章小结 ......66
5 高强螺栓在模块化装配式结构中的应用 ........68
5.1 高强螺栓在装配式结构中的应用 ..........68
5.2 受剪型高强螺栓在装配式结构中应用建议 .....69
5.3 本章小结 ......70
 
5 高强螺栓在模块化装配式结构中的应用
 
5.1 高强螺栓在装配式结构中的应用
本文所说的装配式结构主要是装配式钢结构,高强螺栓用于建筑中各个主要构件间节点的连接,而对于全螺栓连接的钢结构所有构件及节点的连接都采用高强螺栓连接。这样结构节点的安全性受工人的素质影响更小,工人通过给定的固定加载圈数进行预紧力加载,不像焊缝连接很大程度上受工人技术及熟练程度的影响[67]。在加载前半段,全螺栓连接节点通常不可能出现整体的断裂,最终的断裂是由于加载后半段被连接构件变形过大,在裂缝处及被连接构件局部撕裂处产生了较严重的应力集中而导致破坏。由其破坏过程发现其具有良好的塑性变形能力,应属于延性破坏。高强螺栓节点连接处各个被连接钢板间、梁柱构件连接节点、节点贴板与竖向连接板件间都不存在滑移,也没有出现摩擦耗能现象,所有构件的破坏均位于节点域以外,实现了“强节点弱构件”的抗震要求[68]。全螺栓连接的节点在正、负两个方向上表现出的转动刚度、极限承载力、塑性变形等力学性能很相似,对称性明显。按照相关设计规范进行全螺栓连接节点的设计,可以有效的保证静力和抗震连接承载力,加载全过程螺栓连接并未出现滑移。螺栓连接计算承载力与试验值吻合良好。在工地的钢结构装配方法有焊接及高强螺栓等几种,当焊接时工厂焊接可以有效的保证焊接质量,但是在工地现场进行焊接时的质量与工厂焊接的质量相差很大,工地现场焊接焊缝的变形控制比较困难且会不时的遭受热循环很难很好的保证质量,故工地现场的安装采用高强螺栓装配更安全可靠。
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结论
 
毋庸置疑高强螺栓在装配式钢结构连接中起到了决定性的作用。而随着近年来国家研究并推广大范围的应用装配式钢结构这种新体系,扩大钢结构在各类型建筑中的应用,与国家的去产能、去库存相呼应,发展装配式钢结构符合时代背景,受到国家政策的鼓励和支持,市场十分巨大,其发展前景十分广阔。而装配式钢结构在实际工程结构的使用中要经受超过其极限承载力的情形,如地震的作用,台风的影响,这种情况下往往是高强螺栓节点连接是建筑结构整体最容易破坏的位置,因此,对影响高强螺栓的承载力的各种因素进行研究就显得尤为重要。本文首先对我国规范和美国规范(AISC)关于高强螺栓设计计算的部分进行简要的阐述,进而拿两国的规范对比分析找出我国规范相对于美国规范的不足与问题,分析比较在实际工程中预紧力的施加方法以及有限元模拟中预紧力的施加方法,而后通过建立模型验证所建模型的可靠性,最后通过改变影响因素进行多种模拟,并从有限元数值模拟并进行数值分析的到以下结论:
1.剪切面在不在螺纹处计算方法就不同,我国采取面积不同来区分而美国是通过系数调整,并且美国规范还详细规定了螺栓孔承压承载力的计算方法,此外,我国规范只在摩擦型连接时考虑摩擦力,承压型连接时不考虑摩擦力的影响,而在实际工程中承压阶段也有相对较大的摩擦力存在。本文通过对比几种预紧力施加方法,得出扭矩拧紧法是最简洁易操作的现在安装时预紧力加载方法。
2.通过对钢板等的分析发现在高强螺栓连接的节点都存在或重或轻的小孔应力集中问题,同时经过对钢板和螺栓的受力分析发现单栓双剪型连接的几种破坏形态,有杆件承压破坏、螺杆剪切破坏和钢板拉断破坏。同时对有限元模拟中对高强螺栓施加预紧力的几种方法对比,得出预紧截面法是 ABAQUS 软件里最为方便有效的加载方法。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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