冷成型钢构件插座式连接节点理论及试验研究

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传统观点认为,钢结构最简捷实用的连接方法应是焊接、螺栓连接、螺钉连接及铆钉连接。因此,在日益广泛应用的轻型钢结构中仍然沿用了传统的连接方式。一种结构的发展,节点的重要性不言而喻。随着冷成型钢的出现,轻型钢结构的发展要求对连接方式提出了改革。冷成型钢轻质、薄壁、高强度、截面形式多样化等独特性能使得传统的螺栓连接和铆钉连接等并不一定仍是冷成型钢构件最合理的连接型式。针对特殊截面冷成型钢构件的实际应用,冷成型钢的连接出现了一种新颖且构造更加简单合理的连接形式——插座式节点。 插座式节点是用于冷成型钢结构的一种新型连接形式。与传统连接方式相比,插座式节点直接利用所需连接截面的母材形成,不需要另外的设备或加热处理,因而不会对钢材的涂料保护层造成破坏。节点的连接可以借助简单的专用模具在施工现场完成,方便快捷且保证连接质量,迎合了轻型钢结构的设计理念。 从1997~2000年,芬兰赫尔辛基工业大学钢结构实验室联合多个机构开展了对插座式节点的理论及实验研究。但所研究节点的应用范围仅局限于小尺寸构件,节点形式单一,承载力较低,不能有效地推广应用。 本文结合国外的研究成果,采用我国常用的两种较大尺寸的冷成型钢型材作为母材来设计插座式连接,考虑了节点的不同形式以及影响节点承载力的各种因素(包括孔形、孔径、端距等),设计出四组不同形式的节点试件,并对各组试件进行轴向拉伸试验来考察各种类型插座式节点的抗剪承载性能。试验结果表明,采用圆孔的插座式节点比其他形式的节点具有更好的承载性能。另外根据试验结果分析了不同影响因素对连接造成不利影响的取值范围,对节点形式给出了初步设计建议。 对于插座式节点的理论研究,国外的研究采用壳单元来模拟节点,不能体现节点沿板厚方向的应力变化。本文首次采用三维二次块单元来模拟较大尺寸的插座式节点,在厚度方向上划分多层单元,通过静态轴向拉伸逐步加载非线性分析更为精确地考察了节点的承载性能。在将有限元分析结果与试验结果对比验证后,再针对圆孔孔径对承载性能的影响,通过参数分析得出了圆孔节点的最佳开孔比例。 插座式节点作为一种全新的冷成型钢结构连接形式,以其独特的优势具备了广阔的发展前景。本文较为全面地分析了插座式节点的传力机理,并对节点的形式作了初步优化,为插座式节点的进一步深入研究及在实际工程中的应用和推广奠定了基础,具有一定的创新意义。
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