CN110715979B - 钢结构模块单元柱连接节点受力性能检测方法 - Google Patents

钢结构模块单元柱连接节点受力性能检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种钢结构模块单元柱连接节点受力性能检测方法，通过确定连接板表面的分形参数，建立连接板中心位置处接触面压应力与真实接触面积的关系，并分别建立高强螺栓预紧力、模块柱轴向力与连接板中心位置处接触面压应力的关系。通过超声波探伤仪在未施加荷载时连接板上进行超声波检测，得到连接板上、下侧面回波损耗率r′和r′1；测定各工况下回波损耗率ri，求得连接板间真实接触面积；根据连接板间真实接触面积计算连接板中心位置接触面压应力，进而确定高强螺栓预紧力及模块柱轴向力。本发明适用于测定高强螺栓连接节点板间的顶紧度，能直接、快速、准确测出模块化建筑模块单元柱螺栓连接板的顶紧度，得到其受力状态。

Description

钢结构模块单元柱连接节点受力性能检测方法
技术领域
本发明涉及一种钢结构模块单元柱连接节点受力性能检测方法，属于建筑工程技术领域。
背景技术
模块化装配式建筑是指在工厂制作完成的模块单元通过运输车辆运输至施工现场，吊装就位通过连接关键结构节点和模块间管线，完成接缝处理后，所建成的建筑。模块单元钢骨架可采用框架模块、框架支撑模块、框架-剪力墙模块等形式。模块单元柱之间的连接可采用螺栓连接、焊接连接、预应力筋连接、连接板插接连接等形式。
这些连接位置属于钢结构模块建筑的关键部位，也是模块单元连接质量检测的重点。对于钢结构模块化建筑，当相邻模块单元间采用螺栓连接时，上、下模块单元框架柱节点板之间的接触面的压紧度会直接影响模块单元柱的传力。因此，应对模块单元框架柱端板接触面的顶紧度进行检测。
国内外现有的对于高强螺栓连接节点板质量检测方法有扭矩扳手法、伸长值法和基于声弹性原理的超声波应力测量法，这些方法各有优势，也各有不足，且均采用检测高强螺栓预紧力的方法间接推测连接节点板技术状态。模块单元柱连接节点板间的顶紧度除了与高强螺栓预紧力大小有关外，还与模块单元柱传来的轴向力的大小有关。因此，上述方法得出的模块单元柱连接节点板技术状态不准确。
发明内容
本发明的目的在于解决上述的技术问题，提供了一种钢结构模块化建筑模块单元柱螺栓连接节点受力性能检测方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
钢结构模块单元柱连接节点受力性能检测方法，包括如下步骤：
S1、通过超声波无损探伤仪在未施加荷载时的连接板上进行一次超声波无损检测，得到未施加荷载时的超声波回波损耗率r′和r′1，其中r′、 r′1分别为两块连接节点板上侧面、下侧面测得的回波损耗率；所述未施加载荷包括没有拧紧螺母、没有施加外荷载；
S2、测定各工况下超声波回波损耗率ri，所述工况包括高强螺栓拧紧螺母工况、模块柱分级施加轴向荷载工况；其中
Figure DEST_PATH_FDA0002240666920000011
Ir1、Ir2、Ir3分别为各工况下一次回波、二次回波和三次回波声强；
S3、计算各种工况下回波强度比，ri/r′为超声回波损耗压应力率指标；
S4、根据分形理论建立的连接板中心位置处接触面的与真实接触面积的关系：p＝pe+pep+pp，其中pe、pep、pp分别为连接板中心位置处接触面弹性、弹塑性和塑性压应力。
S5、在没有施加外荷载，且拧紧高强螺栓工况下，根据pP＝p*AaE′计算高强螺栓预紧力P；在模块柱分级施加轴向荷载工况，
Figure BDA0002240666930000022
计算模块单元柱的轴向力N。
优选地，所述S1中当两块连接板等厚时，r′＝r′1。
优选地，所述S2中当两块连接板等厚时，
Figure DEST_PATH_FDA0002240666920000013
优选地，所述S3中当两块连接板厚度不相等时，根据公式
Figure BDA0002240666930000024
计算模块单元柱连接节点板间真实接触面积
Figure BDA0002240666930000025
当两块连接板厚度相等时，根据公式
Figure BDA0002240666930000026
计算模块单元柱连接板间真实接触面积
Figure BDA0002240666930000027
优选地，所述S4中当1<D<2，且D≠1.5时，
Figure DEST_PATH_FDA0002240666920000025
Figure BDA0002240666930000032
；
Figure BDA0002240666930000033
当D＝1.5时，
Figure BDA0002240666930000034
Figure BDA0002240666930000035
其中
Figure BDA0002240666930000036
Figure BDA0002240666930000037
为无量纲参数，D、G为模块单元柱连接节点板表面轮廓曲线分形参数。
aep为塑性变形转变为弹塑性变形的临界接触面积；
Figure BDA0002240666930000038
ac为弹塑性变形转变为弹性变形的临界接触面积；
Figure BDA0002240666930000041
H为材料的硬度；σy为材料的屈服强度；K＝H/σy；E′为接触面综合弹性模量，材料特性系数φ＝σy/E′；D、 G为模块单元柱
连接板表面轮廓曲线分形参数，其中D为分形维数，G为特征长度尺度系数。
Figure BDA0002240666930000042
ψ由超越方程
Figure BDA0002240666930000043
求解得到；
其中，al为最大微接触点横截面面积，且
Figure BDA0002240666930000044
区域[aa，ab]内，微接触尺寸分布函数ne(a)满足
Figure BDA0002240666930000045
优选地，采用结构函数法作为计算模块单元柱连接板表面轮廓曲线分形参数D、G；采用三折线法确定无标度区间，在三折线法中，把所采集的关于表面轮廓的离散数据(zj，xj)换算成所采用的测度和尺度的对数值，记为(fi，ti)，i＝1,2，…，N；求解m和n，1≤mπn≤N，使得在三个区域[t1，tm-1]，[tm，tn]，[tn-1，tN]内分别进行最小二乘拟合所得三条直线的偏差之和达到最小。
优选地，采用非线性有限元法计算模块化建筑模块单元柱连接节点板中心位置处接触面压应力与高强螺栓预紧力P间的关系，且pP＝kPP，这里kP为斜率，根据不同的模块单元柱连接板情况，由有限元分析确定。
优选地，采用非线性有限元法计算模块化建筑模块单元柱连接节点板中心位置处接触面压应力pN与模块柱轴压力N间的关系，且pN＝kNN，这里kN为斜率，根据不同的模块单元柱连接板情况，由有限元分析确定。
优选地，所述钢结构模块化建筑包括上模块单元柱、下模块单元柱及设置于其端部的等厚连接板，所述连接板上通过高强螺栓紧固连接，所述模块单元柱连接板中心位置设置有通过信号线与超声波无损探伤仪通道相连的超声波无损检测仪。
优选地，所述超声波无损检测仪器的超声探头为双晶超声测厚探头，且该双晶超声测厚探头置于模块单元柱连接板的表面中心位置。
本发明测试方法基于的原理：模块单元柱螺栓连接板一般采用表面凃环氧富锌底漆的方式保证节点板表面粗糙度在规范要求范围内，以起到表面的防滑和防腐作用，并保证漆膜、表面粗糙度均匀。可以认为模块单元柱连接节点板接触面表面是符合分形理论的表面形貌，而且是各向同性的，可以使用分形理论确定的接触面压应力与真实接触面积的关系进行计算。
超声波是指波动频率超过人耳分辨上限的声波，由于具有较好的指向性，超声波在各向同性均匀固体介质中传播时衰减较小。超声波在固体-固体连接处发生透射，在固体-空气边界处发生部分透射和部分反射，超声波在节点板表面发生反射和透射，按照规定的表面粗糙度和表面摩擦漆处理，高强螺栓预紧力越大，或模块单元柱轴向力越大，连接实际接触面积越大，透射波越多，反射波能量越弱。由超声波反射和透射的原理结合粗糙接触面的接触面积，可以对超声波在界面处的反射率和透射率进行计算。
模块化建筑模块单元柱连接板中相邻高强螺栓孔的中心位置(也即模块单元柱方形钢管截面中心位置)处的压应力较小，与分形理论中小应力状态下的理论推导较为相符，接触面的真实接触面积可按分形理论建立的公式进行计算。
本发明的有益效果：本发明基于分形理论和超声波回波原理，使用便携式超声波无损检测仪，双晶测厚探头来检测模块化建筑模块单元柱连接节点板的技术状态，为模块化建筑模块单元柱螺栓连接节点板技术状态检测提供了一种方便、准确、高效的检测方法，具有重要的工程应用意义。
附图说明
图1为模块化建筑模块单元柱连接节点板安装示意图。
图2为超声波无损检测仪探头布置示意。
图3为超声波无损探伤仪的测量数据，此时，h1＝h2＝h。
图4为超声波无损探伤仪的测量数据，此时，h1≠h2。
图5为微接触扩展尺寸分布函数及Dirac delta函数。
图6为模块单元柱螺栓连接节点板中心处噪声波回波损耗率与接触面压应力的实测值与理论值对比图(图中虚线表示理论值)。
其中，1、超声波无损探伤仪；2、测量通道；3、信号线；4、双晶超声波测厚探头；5、高强螺栓；6、螺母；7、垫片；8、模块柱连接节点板；9、上模块单元柱；10、下模块单元柱；11、测量操作孔；12、模块柱外荷载；13、一次回波声强；14、二次回波声强；15、三次回波声强。
具体实施方式
本发明具体揭示了一种钢结构模块单元柱连接节点受力性能检测方法，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1和图2所示，所述钢结构模块化建筑包括上模块单元柱9、下模块单元柱10及设置于其端部的等厚连接板8，所述连接板8上通过 4个高强螺栓5与螺母6进行紧固连接。所述高强螺栓5与所述连接板8 之间还设置有加强固定的螺栓垫片7。
所述模块单元柱连接板中心位置设置有双晶超声测厚探头4，所述双晶超声测厚探头4通过信号线3与超声波无损探伤仪1的通道2相连。所述双晶超声测厚探头4与模块单元柱方形钢管中心线的距离相等，与周围高强螺栓中心线距离相等。具体的，所述双晶超声波测厚探头4紧贴于模块单元柱连接板外表面，垂直于连接板的接触面，双晶超声波测厚探头4与连接板间凃耦合剂。所述超声波无损探伤仪1为常规便携式超声波无损探伤仪，其工作原理为：超声波无损探伤仪1通过通道2发射超声激励信号，双晶超声测厚探头4将电信号转换为具有较大探测深度的超声信号传入模块单元柱连接板8内，超声波经过在模块单元柱连接板8内的传播和反射、透射，最终又回到双晶超深测厚探头4处，双晶超声测厚探头4将接收到的超声信号转换为电信号通过信号线3传回通道2给超声波无损探伤仪1。
通过超声波无损探伤仪1在没有施加外荷载且没有拧紧高强螺栓的模块单元柱连接板上进行一次超声检测，此时，模块单元柱连接板8 之间没有压力，真实接触面积为0，超声波检测仪1中存储的数据，取二次回波声强14和一次回波声强13之比为本次检测的超声波回波损耗率r′，结合图3所示；当两块连接板不等厚时，取二次回波声强14与三次回波声强15之和与一次回波声强13之比作为本次检测的超声波回波损耗率r′1，如图4所示。
在没有施加外荷载时，拧紧模块单元柱连接板8之间产生压力，通过超声波无损探伤仪1在模块单元柱连接板上进行一次超声检测，计算得到此种工况时的超声波回波损耗率r1；
在拧紧模块单元柱连接板后，模块单元柱逐级施加轴向荷载，致使模块单元柱连接板8间产生压力，通过超声波无损探伤仪1在模块单元柱连接节点板上进行一次超声检测，计算得到此种工况时的超声波回波损耗率ri。
当两块连接板厚度不相等(h1≠h2)时，根据公式
Figure BDA0002240666930000081
计算模块单元柱连接板间真实接触面积
Figure BDA0002240666930000082
其中
Figure BDA0002240666930000083
Ir1、Ir2、Ir3分别为各工况下的一次回波、二次回波和三次回波声强。
当两块连接板厚度相等(h1＝h2＝h)时，根据公式
Figure BDA0002240666930000084
计算模块单元柱连接节点板间真实接触面积
Figure BDA0002240666930000085
其中
Figure BDA0002240666930000086
根据下列公式计算各工况下模块单元柱连接板中心位置处接触面的压应力p＝pe+pep+pp，其中pe、pep、pp分别为连接板中心位置处接触面弹性、弹塑性和塑性压应力，按下式计算；
当1<D<2，且D≠1.5时，
Figure BDA0002240666930000087
Figure BDA0002240666930000088
Figure BDA0002240666930000089
当D＝1.5时，
Figure BDA00022406669300000810
Figure BDA00022406669300000811
Figure BDA0002240666930000091
Figure BDA0002240666930000092
其中
Figure BDA0002240666930000093
Figure BDA0002240666930000094
为无量纲参数。
aep为塑性变形转变为弹塑性变形的临界接触面积；
Figure BDA0002240666930000095
ac为弹塑性变形转变为弹性变形的临界接触面积；
Figure BDA0002240666930000096
H为材料的硬度；σy为材料的屈服强度；K＝H/σy；E′为接触面综合弹性模量，材料特性系数φ＝σy/E′。
Figure BDA0002240666930000097
ψ由超越方程
Figure BDA0002240666930000098
求解得到。
其中，al为最大微接触点横截面面积，且
Figure BDA0002240666930000099
区域[aa，ab] 内，微接触尺寸分布函数ne(a)满足
Figure BDA00022406669300000910
如图6所示。
采用结构函数法作为计算模块单元柱连接节点板表面轮廓曲线分形参数D、G；采用三折线法确定无标度区间，在三折线法中，把所采集的关于表面轮廓的离散数据(zj，xj)换算成所采用的测度和尺度的对数值，记为(fi，ti)，i＝1,2，…，N。求解m和n，1≤mπn≤N，使得在三个区域[t1，tm-1]，[tm，tn],[tn-1，tN]内分别进行最小二乘拟合所得三条直线的偏差之和达到最小。
采用非线性有限元法计算模块化建筑模块单元柱连接节点板中心位置处接触面压应力(pP)与高强螺栓预紧力(P)间的关系，且pP＝kPP，这里kP为斜率，根据不同的模块单元柱连接节点板情况，由有限元分析确定。
采用非线性有限元法计算模块化建筑模块单元柱连接节点板中心位置处接触面压应力(pN)与模块柱轴压力(N)间的关系，且pN＝kNN，这里kN为斜率，根据不同的模块单元柱连接节点板情况，由有限元分析确定。
在没有施加外荷载，且拧紧高强螺栓工况，根据pP＝p*AaE′计算得到高强螺栓预紧力P。
在模块单元柱分级施加轴向荷载工况，根据
Figure BDA0002240666930000101
计算得到模块单元柱的轴向力N。
以下结合本发明所述的方法进行实际的操作检测：
具体测试时，上、下模块单元柱截面采用150mm×150mm×8mm的方钢管，连接板上、下模块单元柱各取300mm。连接节点板的厚度均为 20mm，表面喷刷160μm无机富锌涂料(弹性模量E＝1.0×103MPa，泊松比ν＝0.38)，材料均为Q345钢。每块连接板预留2个直径为26mm的螺栓孔，螺栓为10.9级M24摩擦型高强螺栓。采用轮廓仪测定的连接节点板分形参数D＝1.53，G＝1.0×10-11mm。
在现场试验时，先测定了S10.9级M24大六角头高强螺栓的扭矩系数，以确定扭力扳手所需的扭矩，每个高强螺栓施拧预紧力P＝230kN。
试验时超声波检测工况依次为：工况1—高强螺栓1施加预紧力 (P＝230kN)；工况2—高强螺栓2施加预紧力(P＝230kN)；工况3—模块单元柱施加轴向力(N＝50kN)；……；工况i—模块单元柱施加轴向力(N＝(i-2)×50kN)；……；工况21—模块单元柱施加轴向力(N＝950kN)。
通过超声波无损探伤仪在模块柱没有施加轴向力，且拧紧高强螺栓时进行一次超声检测，读取超声波无损探伤仪中超声波回波数据，依次提取超声波探伤仪中两次回波的声强值，并求其超声波回波损耗率r′(r′为二次回波与一次回波声强之比)。同理，分级施加模块单元柱轴向力后，读取无损检测探伤仪中超声回波数据，依次提取检测仪中两次回波的声强值，并求其超声回波损耗率r(r为二次回波与一次回波声强之比)。相除后得到超声检测的回波损耗率r/r′，根据回波损耗率公式计算模块单元柱连接节点板间真实接触面积占比
Figure BDA0002240666930000111
根据分形理论公式，计算模块单元柱连接节点板间压应力(实测压应力)；采用非线性有限元法计算各种工况下的模块单元柱连接节点板间压应力(理论压应力)，实测压应力与理论压应力对比见图6。由图6可见，模块单元柱连接节点板间压应力的实测值与理论值偏差较小，误差均在5％以内，说明使用本发明对模块单元柱连接节点板压紧度进行检测时可行的。
本发明尚有多种具体的实施方式，在此就不一一列举。凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.钢结构模块单元柱连接节点受力性能检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、通过超声波无损探伤仪在未施加荷载时的连接板上进行一次超声波无损检测，得到未施加荷载时的超声波回波损耗率r′和r1′，其中r′、r1′分别为两块连接节点板上侧面、下侧面测得的回波损耗率；所述未施加载荷包括没有拧紧螺母、没有施加外荷载；
S2、测定各工况下超声波回波损耗率ri，所述工况包括高强螺栓拧紧螺母工况、模块柱分级施加轴向荷载工况；其中
Figure FDA0003538384190000011
Ir1、Ir2、Ir3分别为各工况下的一次回波、二次回波和三次回波声强；
S3、计算各种工况下回波强度比，ri/r′为超声回波损耗率指标；
S4、根据分形理论建立的连接板中心位置处接触面的压应力与真实接触面积的关系：p＝pe+pep+pp，其中pe、pep、pp分别为连接板中心位置处接触面弹性、弹塑性和塑性压应力；
S5、在没有施加外荷载，且拧紧高强螺栓工况下，根据pP＝p*AaE′计算高强螺栓预紧力P；在模块柱分级施加轴向荷载工况，
Figure FDA0003538384190000014
计算模块单元柱的轴向力N，所述S4中当1＜D＜2，且D≠1.5时，
Figure FDA0003538384190000012
Figure FDA0003538384190000013
；
Figure FDA0003538384190000021
当D＝1.5时，
Figure FDA0003538384190000022
Figure FDA0003538384190000023
Figure FDA0003538384190000024
其中
Figure FDA0003538384190000025
Figure FDA0003538384190000026
为无量纲参数，D、G为模块单元柱连接节点板表面轮廓曲线分形参数；
aep为塑性变形转变为弹塑性变形的临界接触面积；
Figure FDA0003538384190000027
ac为弹塑性变形转变为弹性变形的临界接触面积；
Figure FDA0003538384190000028
H为材料的硬度；σy为材料的屈服强度；K＝H/σy；E′为接触面综合弹性模量，材料特性系数φ＝σy/E′；D、G为模块单元柱连接板表面轮廓曲线分形参数，其中D为分形维数，G为特征长度尺度系数；
Figure FDA0003538384190000031
ψ由超越方程
Figure FDA0003538384190000032
求解得到；
其中，al为最大微接触点横截面面积，且
Figure FDA0003538384190000033
区域[aa，ab]内，微接触尺寸分布函数ne(a)满足
Figure FDA0003538384190000034
2.根据权利要求1所述的钢结构模块单元柱连接节点受力性能检测方法，其特征在于：所述S1中当两块连接板等厚时，r′＝r1′。
3.根据权利要求1所述的钢结构模块单元柱连接节点受力性能检测方法，其特征在于：所述S2中当两块连接板等厚时，
Figure FDA0003538384190000035
4.根据权利要求1所述的钢结构模块单元柱连接节点受力性能检测方法，其特征在于：所述S3中当两块连接板厚度不相等时，根据公式
Figure FDA0003538384190000036
计算模块单元柱连接节点板间真实接触面积
Figure FDA0003538384190000037
当两块连接板厚度相等时，根据公式
Figure FDA0003538384190000038
计算模块单元柱连接板间真实接触面积
Figure FDA0003538384190000039
5.根据权利要求1所述的钢结构模块单元柱连接节点受力性能检测方法，其特征在于：采用结构函数法作为计算模块单元柱连接板表面轮廓曲线分形参数D、G；采用三折线法确定无标度区间，在三折线法中，把所采集的关于表面轮廓的离散数据(zj，xj)换算成所采用的测度和尺度的对数值，记为(fi，ti)，i＝1,2，...，N；求解m和n，1≤m＜n≤N，使得在三个区域[t1，tm-1]，[tm，tn],[tn-1，tN]内分别进行最小二乘拟合所得三条直线的偏差之和达到最小。
6.根据权利要求1所述的钢结构模块单元柱连接节点受力性能检测方法，其特征在于：采用非线性有限元法计算模块化建筑模块单元柱连接节点板中心位置处接触面压应力pP与高强螺栓预紧力P间的关系，且pP＝kPP，这里kP为斜率，根据不同的模块单元柱连接板情况，由有限元分析确定。
7.根据权利要求1所述的钢结构模块单元柱连接节点受力性能检测方法，其特征在于：采用非线性有限元法计算模块化建筑模块单元柱连接节点板中心位置处接触面压应力pN与模块柱轴压力N间的关系，且pN＝kNN，这里kN为斜率，根据不同的模块单元柱连接板情况，由有限元分析确定。
8.根据权利要求1所述的钢结构模块单元柱连接节点受力性能检测方法，其特征在于：所述钢结构模块单元包括上模块单元柱、下模块单元柱及设置于其端部的等厚连接板，所述连接板上通过高强螺栓紧固连接，所述模块单元柱连接板中心位置设置有通过信号线与超声波无损探伤仪通道相连的超声波无损检测仪。
9.根据权利要求8所述的钢结构模块单元柱连接节点受力性能检测方法，其特征在于：所述超声波无损检测仪器的超声探头为双晶超声测厚探头，且该双晶超声测厚探头置于模块单元柱连接板的表面中心位置。
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