組裝式鋼貨架螺栓連接梁柱節點試驗 -精品資料 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 最新最全的 學術論文 期刊文獻 年終總結 年終報告 工作總結 個人總結 述職報告 實習報告 單位總結 基金項目：國家自然科學基金項目（ 50978076） 作者簡介：成 博（ 1985），男，河北邢臺人，工學博士研究生， Email： 。 摘要：為了研究組裝式鋼貨架中螺栓連接梁柱節點的剛度、承載力和耗能性能，進行了 節點單調加載和反復加載試驗。結果表明：改變橫梁與連接板的相對位置對梁柱節點的初始剛度、極限承載力和變形特征均有影響；當橫梁位于連接板上側時，節點中承受向上拉力的一側連接板被螺栓撕裂，此種節點的初始剛度和極限承載力最小；橫梁焊接在連接板中下部的 2 種節點在橫梁產生較大轉角（超過 0.18 rad）后，承載力并沒有下降；在單調加載試驗中，由于螺栓與螺栓孔壁之間存在著間隙，螺栓會發生滑移，使試件的彎矩轉角曲線出現轉折；反復加載試驗得到的節點荷載轉角滯回曲線呈 Z 形，每個加載級的節點能量耗散系數與割線剛度隨著加載循環次數 的增加而減小。 關鍵詞：鋼貨架；梁柱節點；螺栓；剛度；極限承載力；耗能性能 TU392.5 文獻標志碼： A 0 引 言 組裝式倉儲貨架是應用最廣泛的貨架類型。為了組裝方便，貨架的梁柱節點多為掛鉤式節點：在橫梁的端部焊接一個L 形連接板，連接板上沖壓出多個掛鉤。組裝貨架時，將掛鉤伸進立柱腹板上的孔洞內，形成掛鉤式梁柱節點。此種節點的優點是加工制作容易、組裝簡便，但是其抗彎性能不穩定，在掛鉤和立柱腹板孔壁接觸處易發生板件撕裂破壞。另外一種節點則采用螺栓代替掛鉤，將立柱腹板和 橫梁連接板連在一起。螺栓的使用雖然會使貨架裝配工作相對復雜，但是可有效改善橫梁連接板與立柱腹板之間的傳力途徑，減緩出現掛鉤式節點中的板件撕裂破壞現象。因此，螺栓式節點正得到越來越多的應用。 在組裝式貨架中，梁柱節點的抗彎性能既影響貨架的側向剛度，又影響立柱與橫梁的彎矩分配及承載能力，因此貨架梁柱節點是鋼結構貨架研究的一個重要方面 12。目前，此類研究多數是關于掛鉤式梁柱節點的抗彎性能 37，即采用原型試驗的方法分析掛鉤式梁柱節點的極限彎矩、轉動剛度和耗能能力等。近年來，隨著螺栓式節點應用的增多 ，對其性能的研究工作也逐漸開始 812。 Gilbert等 13研究了一種螺栓連接梁柱節點的抗彎性能，但這種節點的構造形式與中國使用的節點明顯不同，其橫梁截面也與中國的貨架橫梁不同。 為充分了解螺栓式梁柱節點的性能，本文中筆者對此類梁柱節點進行單調加載和反復加載作用下的試驗，分析節點的抗彎性能、變形模式和耗能性能等，以期對這種節點的應用與研究有所裨益。 1 試驗概況 1.1 試件設計與制作 貨架梁柱節點的具體細節因制造廠家的不同而不同，目前還沒有關于其抗彎性能的實用 理論分析方法，各國貨架規范1416均規定采用試驗方法來測定節點的抗彎性能。本文中試件的節點構造見圖 1。貨架制造廠家所生產的貨架立柱型號較多，腹板寬度在 50 mm 與 120 mm 之間。本文中采用一個較小截面的立柱，立柱腹板上有圓形和傾斜矩形孔洞。節點的 L 形連接板的一面焊接在橫梁端部，另一面沖切有 2 個圓孔，通過4.8級 M8普通螺栓與立柱腹板上的圓孔相連。連接板與橫梁的相對位置 有 3 種，本文中試驗共有 3 組 9 個單調加載試件（試件編號分別為 LZSD1 3， LZZD1 3， LZXD1 3）和 2 組 4 個反復加載 試件（試件編號分別為 LZSF1， LZSF2， LZZF1，LZZF2）。對于試件的編號，第 3 個字母表示橫梁與連接板的相對位置， S 表示橫梁焊接在連接板上部， Z 表示焊接在中部， X 表示焊接在下部；第 4 個字母表示荷載的類別， D 表示單調加載， F 表示反復加載，如試件 LZSF1表示橫梁焊接在連接板上部的反復加載試件。 采用拉伸試驗來測定立柱、橫梁和連接板的材料特性。材性試驗標準件是從構件的平直部位上截取的，其中，立柱標準件取自立柱翼緣，橫梁標準件的截取位置是矩形鋼管的平面中部。構件的材料性能見表 1。 1.2 試驗方案 1.2.1 加載裝置 本文中選用懸臂梁法進行試驗，試驗加載裝置見圖 2。貨架立柱水平放置，在其兩端的腹板通過 4 個螺栓與槽型連接件連接在一起，槽型連接件再通過短柱和小底梁固定在 L 形反力架的水平部分上。貨架橫梁豎向放置，其下端連接在立柱中部形 成螺栓式梁柱節點，上端承受拉壓千斤頂施加的水平作用力。拉壓千斤頂的一端固定在 L 形反力架的豎向部分上，另一端通過力傳感器和鋼軸與橫梁連接在一起。 在進行單調加載試驗時，拉壓千斤頂施加的是拉力。當試件承載力下降或橫梁轉角大 于 0.18 rad 時，試驗終止。反復加載試驗通過控制橫梁轉角施加往復水平荷載，加載制度共有 4 級，即橫梁轉角為 0.025， 0.05， 0.075， 0.1 rad，其中，前 3 級每級循環 3 周，第 4 級循環 6 周。在每個加載級開始時，拉壓千斤頂先施加拉力，然后再施加推力。 1.2.2 測試內容 本試驗采用 3 個位移計 W1 W3測量橫梁的水平位移，位移計布置位置見圖 2。位移計 W1測量的是拉壓千斤頂的伸縮長度，而橫梁的轉角可通過位移計 W2和 W3的測量值計算得到；力傳感器與位移計的信號由信號測試分析系統自動采 集。2 試驗結果及分析 2.1 單調加載試驗 2.1.1 試驗結果與現象 單調加載試驗所得到的彎矩轉角曲線如圖 3 所示，其中， A， B 均為轉折點，轉角為橫梁的轉角，彎矩由力傳感器的荷載乘以鋼軸中心到立柱上表面的垂直距離得到。每組 3 個試件的試驗曲線相差不大，其中，只有試件 LZSD1 3 的彎矩轉角曲線有下降段。試件 LZSD1的變形見圖 4（ a），由于連接螺栓的剪切作用，試件連接板在受向上拉力的部位發生了撕裂破壞，立柱腹板上的螺栓孔由于孔壁受擠壓而擴大，同時焊接橫梁的那側連接板產生變形。另 外 2 組試件 LZZD1 3 和LZXD1 3 的抗彎承載力沒有降低，試件的變形特征相似。試件 LZXD1的節點連接板沒有發生撕裂破壞，但立柱腹板孔洞和節點連接板產生了較大變形 圖 4（ b） 。 文獻 3， 7中掛鉤式梁柱節點試驗得到的彎矩轉角曲線均有下降段，節點極限抗彎承載力所對應的橫梁轉角在 0.05 0.15 rad 之間。而本試驗中橫梁焊接在節點連接板中下部的 2 組試件 LZZD13 和 LZXD1 3 的最大轉角均已超過了 0.18 rad，其彎矩仍沒有下降，說明相比掛鉤式梁柱節點，這 2 組節點具有更強的變形能力。 2.1.2 剛度及極限承載力 試件的初始剛度及極限承載力見表 2。第 1 組試件LZSD1 3 的極限承載力為其最大彎矩，這組 3 個試件最大彎矩所對應橫梁轉角的平均值為 0.123 rad。其他 2 組試件LZZD1 3 和 LZXD1 3 的極限承載力為其彎矩轉角曲線上橫梁轉角平均值 0.123 rad所對應的彎矩。從表 2 可以看出，LZSD1 3， LZZD1 3， LZXD1 3 這 3 組試件初始剛度相差不大，其中試件 LZSD1 3 的初始剛度較小。橫梁與連接板相對位置對試件的極限承載力有一定影響，試件 LZSD1 3 的極限承載力約為其他 2 組試件的 2/3。從初始剛度和極限承載力的角度來看，橫梁也應焊接在連接板的中下部。 從圖 4 可以看出，梁柱節點的變形主要由 2 個部分組成：一是焊接橫梁的那側連接板的扭曲變形；二是螺栓或掛鉤附近的立柱腹板孔洞的變形。這 2 種變形均會引起橫梁的轉動（圖 5），后一種變形相 當于在連接板的螺栓或掛鉤處添加一個彈簧。在加載初始階段，螺栓中的擰緊力使連接板固定在立柱腹板上，節點僅有焊接橫梁的那側連接板的扭曲變形，試驗得到的是初始剛度。當橫梁所受彎矩大于一定值，使螺栓附近板件接觸面所受的剪力大于接觸面的摩擦力時，接觸的 2 個板件之間會發生相對滑移，直到螺栓孔壁與螺栓接觸為止。此后節點的變形包括由螺栓剪切引起的立柱腹板螺栓孔的變形，此時試驗得到的是滑移后的剛度，其比初始剛度小。 對比板件參數相同的螺栓式和掛鉤式節點，其連接板扭曲變形的大小是相同的，本文中將對比立柱腹板孔洞的變形大小。由于掛鉤式節點的掛鉤與立柱腹板的孔洞相當于點點接觸，立柱孔洞壁受力集中，變形較大。因為螺栓孔壁與螺栓的接觸面較大，螺栓式節點的立柱螺栓孔壁的變形會相對較小（圖 5）。綜上可知，雖然螺栓式節點滑移后的抗彎剛 度小于初始剛度，但其仍會大于板件參數相同的掛鉤式節點的剛度。 2.1.3 螺栓滑移 螺栓的直徑（實測值為 7.83 mm）小于立柱腹板圓孔直徑（實測值為 8.71 mm）和連接板圓孔直徑（實測值為 8.39 mm）。當螺栓出現滑移時，試件的抗彎剛度變小，其彎矩轉角曲線出現轉折。圖 3（ b）中，試件彎矩轉角曲線有 2 個轉折點（ A 點和 B 點）。在 A 點時螺栓附近板件之間開始滑移，而在 B 點時螺栓與螺栓孔壁接觸，滑移結束，節點的抗彎剛度變大。將 A 點和 B 點之間的轉角差值稱為間隙值。從單調加載試驗得到的彎矩轉角曲 線可知，除了試件 LZSD2， LZSD3的曲線沒有明顯轉折外，其他試件均有滑移現象發生（圖 3）。試件LZSD1的間隙值為 1.0810 -2 rad；試件 LZZD1 3 的間隙值依次為 0.9310 -2， 1.0510 -2， 1.5810 -2 rad；試件LZXD1 3 的間隙值依次為 1.6110 -2， 1.0910 -2，1.3610 -2 rad。 螺栓滑移示意如圖 6 所示。圖 6 中， x1為連接 板的圓孔半徑與螺栓半徑的差值， x1=0.28 mm； x2為立柱腹板的圓孔半徑與螺栓半徑的差值， x2=0.44 mm。螺栓、連接板圓孔和立柱圓孔三者之間的相對位置有 3 種狀態（圖6），其中狀態 3 是螺栓滑動結束后三者的相對位置。由于試件各組件的尺寸存在偏差，在組裝節點時，螺栓可能處于任何一個狀態。若螺栓安裝時的位置是狀態 3，那么螺栓將不會發生滑移（如試件 LZSD2， LZSD3）；但若螺栓安裝時處于狀態1，那么螺栓的滑移幅度是最大的，豎向滑移位移 x3=2（ x1+x2） =1.44 mm，所對應的橫梁轉角 =1.9210 -2 rad。試驗得到的節點間隙轉角在 0 1.9210 -2 rad 之間，其中多數節點間隙轉角在 中間值 0.9610 -2 rad 附近。綜上可知，減小螺栓直徑與螺栓孔徑的差值是減小螺栓滑移量的有效途徑。 2.2 反復加載試驗 2.2.1 試驗結果與現象 反復加載試驗中試件 LZSF2， LZZF2的彎矩轉角滯回曲線如圖 7 所示，圖 8 為反復加載下的試件節點變形。從圖 7 可以看出，試件滯回曲線的形狀呈 Z 形，有捏縮現象，反映出節點內部出現滑移現象，即單調加載試驗中出現的螺栓滑移。節點的主要變形是焊接橫梁的那側連接板兩邊均發生塑性變形，連接板呈現凹形。由于螺栓的擠壓，壁厚較薄的立柱腹板的 2個螺栓孔壁產生塑性變形，孔徑變大。連接板的凹形變形和螺栓孔的擴大使螺栓滑 2.2.2 耗能能力與割線剛度 能量耗散系數 E 是一個衡量節點耗能性能的重要指標。試件 LZSF2， LZZF2的能量耗散系數與橫梁轉角的關系曲線見圖 9。圖 9 中的能量耗散系 數涉及 3 個加載級（橫梁轉角為 0.05， 0.075， 0.1 rad）。從圖 9 可以看出，在每個加載級中，荷載循環的次數越多，試件的能量耗散系數越小。能量耗散系數降低的幅度并不一致，其中第 2 個循環相對于第 1 個循環降低的幅度是最大的。循環荷載試驗每 個加載級第 3 個循環的耗散能量與其第 1個循環的比值為 0.46 0.69。 文獻 4中進行了 2 種掛鉤式梁柱節點的反復加載試驗，每個試驗僅有一個加載級（橫梁轉角為 0.05 rad 或0.067 rad）。文獻 4中同一試驗第 3 個循環的耗散能量與其第 1 個循環的比值為 0.14 0.48，說明掛鉤式節點的能量耗散能力隨荷載循環增加而降低的幅度比螺栓式節點更大。 采用割線剛度 K 來表示試件的剛度，此參數由每個循環拉、壓峰值點的荷載與轉角計算得到。試件 LZSF2， LZZF2的割線剛度與橫梁轉角的關系曲線 見圖 10。圖 10中的割線剛度涉及 3 個加載級（橫梁轉角為 0.05， 0.075， 0.1 rad）。同能量耗散系數與轉角的關系一樣，在每個加載級中，荷載循環的次數越多，試件的割線剛度越小。循環荷載試驗每個加載級第 3 個循環的最大彎矩與其第 1 個循環的比值為 0.860.96。 3 結 語 （ 1）改變橫梁相對于連接板的位置，對節點初始抗彎剛度的影響較小，而對節點極限承載力的影響較大。只有橫梁焊在連接板上部的節點，連接板出現撕裂現象，節點承載力下降。從節點初始抗彎剛度和極限承載力的角度來看，橫梁宜焊接在連 接板的中下部。相比于掛鉤式節點，螺栓式節點的變形能力和抗彎剛度均較大。 （ 2）在單調加載試驗中，由于螺栓與其附近的板件發生滑移，試件的彎矩轉角曲線出現轉折點。滑移量的大小和螺栓與螺栓孔直徑差值有關，因此提高構件的加工精度、減小螺栓與螺栓孔的直徑差值對優化節點的抗彎性能很重要。 （ 3）反復加載試驗得到的彎矩轉角滯回曲線呈 Z 形，有捏縮現象。節點連接板和立柱腹板螺栓孔壁產生塑性變形，滯回曲線的水平滑移段長度隨荷載的增大而增大。 （ 4）在反復加載試驗的每個加載級中，節點能量耗散能力與抗 彎剛度隨加載循環次數的增加而減小，其中能量耗散能力減小的幅度更為明顯。螺栓式和掛鉤式節點的抗震性能均不太理想，但具有較大變形能力的螺栓式節點可保證貨架的完整性，不會出現橫梁與立柱脫開的破壞現象。 參考文獻： 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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