CN110318465B - 一种基于耗能目标确定梁柱上焊下栓节点下翼缘拼接板长度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于耗能目标确定梁柱上焊下栓节点下翼缘拼接板长度的方法，采用如下步骤：基于耗能目标，在XY坐标系绘制节点在循环荷载作用下的荷载‑位移曲线，由曲线计算求得框架梁下翼缘拼接区的耗能系数；确定框架梁下翼缘侧拼接板的长度，根据耗能目标验算拼接板的尺寸；确定悬臂梁下翼缘侧拼接板的长度；最后，确定梁柱上焊下栓节点下翼缘拼接板的长度。在梁柱上焊下栓节点设计过程中，拼接板过短会导致节点承载力不足，拼接板过长会造成焊接应力集中，残余变形加大，下翼缘板及拼接板屈曲失稳，针对以上不足，本发明提出了一种拼接板长度的确定方法，可保证梁柱上焊下栓节点的承载能力、延性及耗能能力，减少焊接应力集中及残余变形。

Description

一种基于耗能目标确定梁柱上焊下栓节点下翼缘拼接板长度 的方法

技术领域

本发明属于建筑钢结构框架梁柱节点设计领域，具体涉及一种基于耗能目标确定梁柱上焊下栓节点下翼缘拼接板长度的方法。

背景技术

随着经济建设对建筑结构和功能要求的提高，钢结构从过去主要应用于工业厂房领域发展到如今广泛应用于公共建筑和民用建筑等领域。装配式钢结构是将建筑中部分或全部构件在工厂进行生产，然后运输到施工现场进行装配而成的建筑，具有施工周期短、节约劳动力、减少污染和保护环境等优点，是现代化建筑结构的发展方向。

在装配式钢结构中，梁柱节点起到传递结构内力和协调结构变形的作用，是装配式钢结构的关键部位。目前，带悬臂梁段拼接的梁柱节点在世界各国钢结构工程中有着广泛的应用。在钢框架中，节点并不是孤立存在的。在地震作用下，一旦梁柱节点发生破坏，梁柱之间可能因缺少可靠的连接，而导致整个结构失稳从而破坏。并且，对于H型钢梁，下翼缘相对于上翼缘更易发生破坏。对于目前的梁柱节点设计领域，多集中于H型钢梁的设计方面，而实际工程操作中参数的取值缺少理论依据。本专利发明人在专利201710903060.8中提出一种翼缘栓焊混合连接装配式梁柱节点的制作方法，计算了框架梁下翼缘的高强螺栓数量与悬臂梁下翼缘拼接板处的焊缝长度，在工厂对构件进行加工，施工现场吊装就位拼装，但是，未明确说明钢梁下翼缘拼接板尺寸如何确定，未考虑节点耗能问题。专利CN109629684A公开了一种可恢复功能的装配式防屈曲槽型腹板剪切件梁柱节点连接装置，节点为梁端加强及翼缘盖板连接削弱并用型节点，可实现多重耗能机理，震后仅需通过更换连接板即可实现结构的功能恢复，但是，未说明该节点翼缘内盖板、垫板和腹板剪切件的尺寸及其确定方法。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于耗能目标确定梁柱上焊下栓节点下翼缘拼接板长度的方法。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于耗能目标确定梁柱上焊下栓节点下翼缘拼接板长度的方法，包括以下步骤：

第一步，确定框架梁下翼缘拼接区的耗能系数：

框架梁下翼缘拼接区的耗能：

E_ci＝E_1i+E_2i+E_3i (1)

式中：E_1i—地震作用下框架梁下翼缘的高强螺栓滑移引起的耗能；E_2i—地震作用下框架梁下翼缘的高强螺栓与孔壁的挤压引起的耗能；E_3i—地震作用下框架梁下翼缘拼接板的变形引起的耗能；

框架梁下翼缘产生的位移：

δ_i＝δ₁+δ_2i+δ_3i (2)

框架梁下翼缘的高强螺栓滑移产生的位移：

δ₁＝d₀-d (3)

式中：d₀—螺栓孔直径；d—高强螺栓的公称直径；

框架梁下翼缘由高强螺栓的滑移引起的耗能：

式中：F_1i—地震作用引起框架梁下翼缘高强螺栓滑移的内力；

设计拼接板的宽度为b_p＝b_f+4t_f，厚度t_p＝t_f+2mm；

高强螺栓与孔壁的挤压产生的位移：

式中:t_f—框架梁横截面翼缘厚度；t_p—拼接板的厚度；F_2i—地震作用引起框架梁下翼缘的高强螺栓与孔壁挤压的内力；

框架梁下翼缘拼接板变形产生的位移：

式中：F_3i—地震作用引起框架梁下翼缘拼接板变形的内力；

不同地震类别下的耗能目标：

表1

表中：E_T—框架结构在地震作用下的总耗能；N—一个框架结构中梁柱上焊下栓节点的个数；

根据公式(1)～(6)及表1，在XY坐标系绘制节点在循环荷载作用下的荷载-位移曲线；

由荷载-位移曲线求得耗能系数：

式中：S—循环荷载作用下滞回环的面积；|S′|—最大正荷载点到X轴的垂线与X轴所组成三角形的面积；|S″|—最大负荷载点到X轴的垂线与X轴所组成三角形的面积；

第二步，根据框架梁的截面尺寸参数及第一步所求结果，计算得出框架梁下翼缘拼接板所需的高强螺栓数目，确定框架梁下翼缘侧拼接板的长度：

由于框架梁下翼缘处的螺栓配置不能确定，近似取框架梁下翼缘的净截面面积为其毛截面面积的85％；

框架梁下翼缘的净截面面积：A_nf＝0.85b_ft_f (8)

式中：b_f—框架梁横截面翼缘宽度；t_f—框架梁横截面翼缘厚度；

在受剪连接中，框架梁下翼缘单个高强度螺栓的承载力设计值：

式中：n_f—传力摩擦面数目；μ—摩擦面的抗滑移系数；P—单个高强度螺栓的预应力；

框架梁下翼缘所需高强螺栓数目：

式中：f_v—框架梁钢材的抗剪强度；

由公式(8)～(10)计算得出框架梁下翼缘所需高强螺栓数目；

框架梁下翼缘侧拼接板的长度：

l₁＝(n_f′-1)×Δ₁+2Δ₂ (11)

式中：n_f′—框架梁下翼缘每排所需高强螺栓数目；Δ₁—高强螺栓的中心间距；Δ₂—高强螺栓的中心至构件边缘的距离；

根据耗能目标，验算拼接板的尺寸：

b_p×t_p×f_pv≤k×b_f×t_f×f_v (12)

式中：f_pv—拼接板钢材的抗剪强度；

第三步，计算得出悬臂梁下翼缘拼接板处的侧面焊缝长度，确定悬臂梁下翼缘侧拼接板的长度：

悬臂梁下翼缘、框架梁下翼缘所能承受的最大轴力：N′＝(b_f-2d₀)t_ff (13)

式中：f—悬臂梁、框架梁钢材的抗拉、抗压、抗弯强度设计值；

悬臂梁上翼缘与框架梁上翼缘连接焊缝所能承受的最大轴力：

N″＝(b_f-2t_f)t_ff_t ^w (14)

式中：f_t ^w—对接焊缝的抗拉强度设计值；

悬臂梁与框架梁的翼缘所能承受的最大轴力：N＝min{N′，N″} (15)

悬臂梁下翼缘拼接板处正面角焊缝所能承受的内力：

式中：f_f ^w—角焊缝的抗拉、抗压、抗剪强度设计值；h_e—角焊缝的计算厚度，h_e＝0.7h_f；h_f为焊脚尺寸；l_w—角焊缝的计算长度，对每条焊缝取其实际长度减去2h_f；

悬臂梁下翼缘拼接板处侧面角焊缝所需承受的内力：

N₂＝N-N₁ (17)

悬臂梁下翼缘拼接板处侧面角焊缝长度：

悬臂梁下翼缘拼接板处每条侧面角焊缝的长度：

根据计算得出的每条侧面角焊缝的长度，结合构造要求，确定悬臂梁下翼缘侧拼接板的长度l₂；

第四步，根据以上三个步骤的计算结果，确定梁柱上焊下栓节点下翼缘拼接板的长度：

l＝l₁+l₂+Δ (20)

式中：l₁—框架梁下翼缘侧拼接板的长度；l₂—悬臂梁下翼缘侧拼接板的长度；Δ—框架梁下翼缘螺栓连接区与悬臂梁下翼缘焊接区之间的距离。

本发明所涉及到的一种梁柱上焊下栓节点：在悬臂梁下翼缘布置拼接板，拼接板与悬臂梁通过三面角焊缝连接；现场安装时，拼接板充当就位耳板，框架梁吊装就位后，通过螺栓实现拼接板与框架梁下翼缘的连接；在悬臂梁腹板和框架梁腹板拼接处布置节点板，通过螺栓实现悬臂梁腹板与框架梁腹板的连接；悬臂梁上翼缘与框架梁上翼缘通过对接焊缝连接。

本发明的有益效果：梁柱上焊下栓节点，在地震作用下，能有效利用拼接区高强螺栓的滑移、高强螺栓与孔壁的挤压以及拼接板的变形来实现耗能，具有良好的滞回性能和耗能能力；在梁柱上焊下栓节点设计过程中，拼接板过短，连接不牢固，承载力不足；拼接板过长，易造成应力集中，焊接残余变形增大，板件屈曲失稳；本发明避其不足，提出了一种基于耗能目标确定梁柱上焊下栓节点下翼缘拼接板长度的方法，可保证梁柱上焊下栓节点的延性及耗能能力，减少应力集中及焊接残余变形，保证结构承载能力。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为梁柱上焊下栓节点结构示意图；

图3为钢梁横截面尺寸图；

图4为节点耗能示意图；

图5为实施例的下翼缘拼接板尺寸图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例

一种梁柱上焊下栓节点，包括钢柱1、悬臂梁2、框架梁3、腹板拼接螺栓4、悬臂梁下翼缘5、拼接板6、框架梁下翼缘7、拼接板6与悬臂梁下翼缘5连接的角焊缝8、拼接板6与框架梁下翼缘7连接的高强螺栓9、悬臂梁上翼缘与框架梁上翼缘的连接焊缝10，其中，梁柱钢材选用Q345B热轧H型钢，拼接板6钢材选用Q235热轧H型钢，悬臂梁2和框架梁3的截面尺寸均为HN300mm×160mm×8mm×10mm，柱1截面尺寸为HW250mm×250mm×9mm×14mm；采用10.9级M20的摩擦型高强螺栓9，试件螺栓孔的直径为21.5mm；腹板节点板的尺寸为220mm×170mm×8mm，腹板节点板所需的螺栓4个数为6，双排布置，每排3个；一个高强螺栓9的预应力设计值为P＝155kN，摩擦面的抗滑移系数为0.45。

一种基于耗能目标确定梁柱上焊下栓节点下翼缘拼接板6长度的方法包括以下步骤：

第一步，确定框架梁下翼缘7的拼接区的耗能系数：

框架梁下翼缘7的拼接区的耗能：

E_ci＝E_1i+E_2i+E_3i (1)

式中：E_1i—地震作用下框架梁下翼缘7的高强螺栓9滑移引起的耗能；E_2i—地震作用下框架梁下翼缘7的高强螺栓9与孔壁的挤压引起的耗能；E_3i—地震作用下框架梁下翼缘7拼接板6变形引起的耗能；

框架梁下翼缘7产生的位移：

δ_i＝δ₁+δ_2i+δ_3i (2)

框架梁下翼缘7的高强螺栓9滑移产生的位移：

δ₁＝d₀-d＝21.5-20＝1.5mm (3)

式中：d₀—螺栓孔直径；d—高强螺栓9的公称直径；

框架梁下翼缘7由高强螺栓9的滑移引起的耗能：

式中：F_1i—地震作用引起框架梁下翼缘7高强螺栓9滑移的内力；

设计拼接板6的宽度为b_p＝b_f+4t_f＝160+4×10＝200mm，厚度t_p＝t_f+2mm＝12mm；

高强螺栓9与孔壁的挤压产生的位移：

式中:t_f—框架梁3横截面翼缘厚度；t_p—拼接板6的厚度；F_2i—地震作用引起框架梁下翼缘7的高强螺栓9与孔壁挤压的内力；

框架梁下翼缘7拼接板6变形产生的位移：

式中：F_3i—地震作用引起框架梁下翼缘7拼接板6变形的内力；

不同地震类别下的耗能目标：

表1

表中：E_T—框架结构在地震作用下的总耗能；N—一个框架结构中梁柱上焊下栓节点的个数；

根据公式(1)～(6)及表1，在XY坐标系绘制节点在循环荷载作用下的荷载-位移曲线；

由荷载-位移曲线求得耗能系数：

式中：S—循环荷载作用下滞回环的面积，即

|S′|—最大正荷载点到X轴的垂线与X轴所组成三角形的面积，即|S_ΔOBE|；|S″|—最大负荷载点到X轴的垂线与X轴所组成三角形的面积，即|S_ΔODF|；

由以上步骤计算得出k＝1.64；

第二步，根据框架梁3的截面尺寸参数及第一步所求结果，计算得出框架梁下翼缘7拼接板6所需的高强螺栓9数目，确定框架梁下翼缘7侧拼接板6的长度：

由于框架梁下翼缘7处的螺栓9配置不能确定，近似取框架梁下翼缘7的净截面面积为其毛截面面积的85％；

框架梁下翼缘7的净截面面积：

A_nf＝0.85b_ft_f＝0.85×160×10＝1360mm² (8)

式中：b_f—框架梁3横截面翼缘宽度；t_f—框架梁3横截面翼缘厚度；

在受剪连接中，框架梁下翼缘7单个高强度螺栓9的承载力设计值：

式中：n_f—传力摩擦面数目；μ—摩擦面的抗滑移系数；P—单个高强度螺栓9的预应力；

框架梁下翼缘7所需高强螺栓9数目：

式中：f_v—框架梁3钢材的抗剪强度(f_v＝175N/mm²)；

由公式(8)～(10)计算得出框架梁下翼缘7所需高强螺栓9数目为6，双排布置，每排3个；

框架梁下翼缘7侧拼接板6的长度：

l₁＝(n_f′-1)×Δ₁+2Δ₂＝(3－1)×80+2×50＝260mm (11)

式中：n_f′—框架梁下翼缘7每排所需高强螺栓9数目；Δ₁—高强螺栓9的中心间距；Δ₂—高强螺栓9的中心至构件边缘的距离；

根据耗能目标，验算拼接板6的尺寸：

b_p×t_p×f_pv＝200×12×125＝300kN

≤k×b_f×t_f×f_v＝1.64×160×10×175＝459.2kN (12)

∴拼接板6的尺寸满足耗能要求；

式中：f_pv—拼接板6钢材的抗剪强度(f_pv＝125N/mm²)；

第三步，计算得出悬臂梁下翼缘5拼接板6处的侧面焊缝长度，确定悬臂梁下翼缘5侧拼接板6的长度：

Q345钢材焊接选用的焊条型号为E50，对接焊缝的抗拉强度设计值f_t ^w＝305N/mm²；角焊缝抗拉、抗压、抗剪强度设计值

拼接板6与悬臂梁下翼缘5连接的角焊缝8的焊脚尺寸为h_f＝10mm；

悬臂梁下翼缘5、框架梁下翼缘7所能承受的最大轴力：

N′＝(b_f-2d₀)t_ff＝(160-2×21.5)×10×305×10^-3＝356.85kN (13)

式中：f—悬臂梁2、框架梁3钢材的抗拉、抗压、抗弯强度设计值(f＝305N/mm²)；

悬臂梁上翼缘与框架梁上翼缘连接焊缝10所能承受的最大轴力：

N″＝(b_f-2t_f)t_ff_t ^w＝(160-2×10)×10×305×10^-3＝427kN (14)

悬臂梁2与框架梁3的翼缘所能承受的最大轴力：

N＝min{N′,N″}＝{356.85,427}＝356.85kN (15)

悬臂梁下翼缘5拼接板6处正面角焊缝8所能承受的内力：

式中：h_e—角焊缝的计算厚度，h_e＝0.7h_f；h_f为焊脚尺寸；l_w—角焊缝的计算长度，对每条焊缝取其实际长度减去2h_f；

悬臂梁下翼缘5拼接板6处侧面角焊缝所需承受的内力：

N₂＝N-N₁＝356.85-196＝160.85kN (17)

悬臂梁下翼缘5拼接板6处侧面角焊缝长度：

悬臂梁下翼缘5拼接板6处每条侧面角焊缝的长度：

根据计算得出的每条侧面角焊缝的长度，确定悬臂梁下翼缘5侧拼接板6的长度：

为了避免拼接板6发生刚度突变，将每条侧向角焊缝的实际长度取为155mm，即l₂＝155mm；

第四步，根据以上三个步骤的计算结果，确定梁柱上焊下栓节点下翼缘拼接板6的长度：

l＝l₁＋l₂+Δ＝260+155+5＝420mm (20)

式中：l₁—框架梁下翼缘7侧拼接板6的长度；l₂—悬臂梁下翼缘5侧拼接板6的长度；Δ—框架梁下翼缘7螺栓连接区与悬臂梁下翼缘5焊接区之间的距离。

Claims (1)

1.一种基于耗能目标确定梁柱上焊下栓节点下翼缘拼接板长度的方法，包括以下步骤：

第一步，确定框架梁下翼缘拼接区的耗能系数：

框架梁下翼缘拼接区的耗能：E_ci＝E_1i+E_2i+E_3i (1)

框架梁下翼缘产生的位移：δ_i＝δ₁+δ_2i+δ_3i (2)

框架梁下翼缘的高强螺栓滑移产生的位移：δ₁＝d₀-d (3)

框架梁下翼缘由高强螺栓的滑移引起的耗能：

设计拼接板的宽度为b_p＝b_f+4t_f，厚度为t_p＝t_f+2mm；

高强螺栓与孔壁的挤压产生的位移：

框架梁下翼缘拼接板变形产生的位移：

表1不同地震类别下的耗能目标：

根据公式(1)～(6)及表1，在XY坐标系绘制节点在循环荷载作用下的荷载-位移曲线；

由荷载-位移曲线求得耗能系数：

式中：E_1i—地震作用下框架梁下翼缘的高强螺栓滑移引起的耗能；E_2i—地震作用下框架梁下翼缘的高强螺栓与孔壁挤压引起的耗能；E_3i—地震作用下框架梁下翼缘拼接板的变形引起的耗能；d₀—螺栓孔直径；d—高强螺栓的公称直径；t_f—框架梁横截面翼缘厚度；t_p—拼接板的厚度；F_1i—地震作用引起框架梁下翼缘高强螺栓滑移的内力；F_2i—地震作用引起框架梁下翼缘的高强螺栓与孔壁挤压的内力；F_3i—地震作用引起框架梁下翼缘拼接板变形的内力；E_T—框架结构在地震作用下的总耗能；N—一个框架结构中梁柱上焊下栓节点的个数；S—循环荷载作用下滞回环的面积；|S|—最大正荷载点到X轴的垂线与X轴所组成三角形的面积；|S″|—最大负荷载点到X轴的垂线与X轴所组成三角形的面积；

第二步，根据框架梁的截面尺寸参数及第一步所求结果，计算得出框架梁下翼缘拼接板所需的高强螺栓数目，确定框架梁下翼缘侧拼接板的长度：

由于框架梁下翼缘处的螺栓配置不能确定，近似取框架梁下翼缘的净截面面积为其毛截面面积的85％；

框架梁下翼缘的净截面面积：A_nf＝0.85b_ft_f (8)

在受剪连接中，框架梁下翼缘单个高强度螺栓的承载力设计值：

框架梁下翼缘所需高强螺栓数目：

由公式(8)～(10)计算得出框架梁下翼缘所需高强螺栓数目；

框架梁下翼缘侧拼接板的长度l₁：l₁＝(n_f′-1)×Δ₁+2Δ₂ (11)

根据耗能目标，验算拼接板的尺寸：

b_p×t_p×f_pv≤k×b_f×t_f×f_v (12)

式中：b_f—框架梁横截面翼缘宽度；t_f—框架梁横截面翼缘厚度；n_f—传力摩擦面数目；μ—摩擦面的抗滑移系数；P—单个高强度螺栓的预应力；f_v—框架梁钢材的抗剪强度；n_f′—框架梁下翼缘每排所需高强螺栓数目；Δ₁—高强螺栓的中心间距；Δ₂—高强螺栓的中心至构件边缘的距离；f_pv—拼接板钢材的抗剪强度；

第三步，计算得出悬臂梁下翼缘拼接板处的侧面焊缝长度，确定悬臂梁下翼缘侧拼接板的长度：

悬臂梁下翼缘、框架梁下翼缘所能承受的最大轴力：N′＝(b_f-2d₀)t_ff (13)

悬臂梁上翼缘与框架梁上翼缘连接焊缝所能承受的最大轴力：N″＝(b_f-2t_f)t_ff_t ^w (14)

悬臂梁与框架梁的翼缘所能承受的最大轴力：N＝min{N′，N″} (15)

悬臂梁下翼缘拼接板处正面角焊缝所能承受的内力：

悬臂梁下翼缘拼接板处侧面角焊缝所需承受的内力：N₂＝N-N₁ (17)

悬臂梁下翼缘拼接板处侧面角焊缝长度：

悬臂梁下翼缘拼接板处每条侧面角焊缝的长度：

式中：f—悬臂梁、框架梁钢材的抗拉、抗压、抗弯强度设计值；f_t ^w—对接焊缝的抗拉强度设计值；f_f ^w—角焊缝的抗拉、抗压、抗剪强度设计值；h_e—角焊缝的计算厚度；l_w—角焊缝的计算长度，对每条焊缝取其实际长度减去2h_f；

根据计算得出的每条侧面角焊缝的长度，结合构造要求，确定悬臂梁下翼缘侧拼接板的长度l₂；

第四步，根据以上三个步骤的计算结果，确定梁柱上焊下栓节点下翼缘拼接板的长度：

l＝l₁+l₂+Δ (20)

式中：Δ—框架梁下翼缘螺栓连接区与悬臂梁下翼缘焊接区之间的距离。

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