不绣钢螺栓连接节点抗剪性能研究

发布时间：2016-09-28 06:34

第1章  绪论 

1.1  引言 
碳素钢作为结构构件的应用十分广泛，其不利的一方面也随之展现出来，像耐腐蚀性、耐久性和耐火性能差以及维护费用高等问题都暴露出来。与此相对，不锈钢材料能够弥补这些缺陷，且外形美观大方，材料成本较碳素钢略高，一定程度上制约着不锈钢在建筑结构中的应用。但随着建筑可持续发展的理念深入人心，不锈钢材料可望成为一种应用前景较好的绿色建筑材料[1]，并以其后期维护成低廉而备受青睐。 欧洲、美国、日本、澳大利亚及新西兰均已经颁布建筑结构不锈钢设计规范，国内也于 2015 正式颁布《不锈钢结构技术规范》[2]。本文主要针对不锈钢构件螺栓连接节点进行研究，旨在提出适合我国不锈钢材料的螺栓抗剪承载力设计公式。
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1.2  不锈钢材料及其应用 
通常我们所说的不锈钢是指耐蒸汽、空气、水等弱腐蚀介质或具有不锈性，其铬含量应至少大于 10.5%，碳含量不应超过 1.2%的耐腐蚀合金钢[2]。不锈钢之所以不生锈来源于材料中添加铬元素，其内部的化学反应能使材料抵抗腐蚀破坏，故不锈钢材料主要控制其铬含量，各国的不锈钢材料中铬含量质量分数要求不一，我国一般认为不应小于 12%。不锈钢的耐腐蚀性是材料中各种不同成分相互作用的结果，其改变了材料表面钝化膜的化学组成，且强化其在苛刻介质中的耐腐蚀性能，最后各种合金元素也使不锈钢材料获得足够的强度、塑性和韧性，以及良好的工艺性能，如可焊接性、耐热性、易加工成型性[3]。 不锈钢按组织状态分为：铁素体钢、奥氏体钢、马氏体钢、奥氏体-铁素体（双相）不锈钢及沉淀硬化不锈钢等。另外，可按成分分为：铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等[3]。 与碳素钢材料相比，不锈钢材料具有以下几个显著的特点：（1）较低的比例极限以及非线性的本构关系，材料应变硬化较高；（2）拉压方向力学性能不同，显示其各向异性性能；（3）材料力学性能受冷弯加工影响较为明显，且不同类型的不锈钢受冷弯影响表现不一[3]。 不锈钢显著的优点促使其在重工业、轻工业、生活用品以及建筑装饰等行业中获得了广泛的应用。近些年来，由于碳钢材料耐腐蚀性差、耐火性差等缺点，导致碳钢后期维护成本很高，且施工工艺复杂，促进不锈钢材料从传统的建筑装饰领域扩展到建筑结构构件领域，在世界上已经有一些建筑采用不锈钢作为结构构件，比较有名的不锈钢建筑有巴黎卢浮宫“金字塔”、香港 Stonecutters 大桥和清华大学游泳馆等；由此可见研究各种情况下不锈钢构件的力学性能就显得非常重要。 
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第2章  不锈钢螺栓连接节点各国规范的比较分析 

2.1  引言 
研究和利用不锈钢作为建筑的结构构件是始于康奈尔大学的 Johnson 和Winter，当时是由 AISI 发起为了满足编制不锈钢设计规范的需要。基于 Johnson和 Winter 和其他研究者的工作成果，第一版“轻型冷成型不锈钢构件设计规范”被 AISI 出版于 1968 年，修订版《冷成型不锈钢构件设计规范》出版于 1974年[1]。随后，ANSI/ASCE8-90《冷成型不锈钢结构构件设计规范》出版于 1990年，再后来美国 SEI/ASCE 8-02 标准修订版于 2002 年出版，该修订版引进了极限状态法，但其仅适用于冷弯成型不锈钢构件的设计，，且该规范没有提到焊接方面的设计、防火设计以及疲劳设计[1]。 在欧洲，欧洲标准委员会（CEN）制定的标准（代号 EN）已经或正在取代欧盟各国原有的标准，现行的欧洲不锈钢规范是 EN 1993-1-4:2006，事实上，其与欧洲不锈钢设计手册中关于结构不锈钢中的抗力设计方面都是以 EN 1993-1-8[21]和 EN 1993-1-3 为基础，仅有一些范围较小的修改，该规范对冷成型和热轧型不锈钢都适用，设计条文非常详细。 日本的不锈钢结构用于建筑的研究可追溯到八十年代后期，由于高层建筑的兴起，很多工程师和研究者尝试在重型钢结构中用不锈钢，这促使制定了《结构重型钢结构设计规范》，其主要针对热轧不锈钢。1995 年日本不锈钢建筑协会编制了日本不锈钢设计标准，而后，日本不锈钢建筑结构设计标准 JIS G4321于 2000 年出版，采用两种方法设计，设计规定较全面。基于 Kuwamura 等[1]人的研究，2001 年，日本不锈钢建筑协会出版了关于薄壁不锈钢的设计方法规范：《轻型不锈钢结构设计手册》。 国际标准版本的不锈钢螺栓标准 ISO  3506，其是基于 ENV  1993-1-1 和ENV  1993-1-4 的相关规定而，其主要适用奥氏体型不锈钢。其他国家像加拿大、南非等的不锈钢规范就不再一一赘述。 
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2.2  不锈钢螺栓连接节点中连接板件承载力的规范对比 
尽管现今国内不锈钢作为结构构件在建筑工程中使用还十分有限，但不可否认在未来不锈钢材料以其优越的性能，必会在建筑工程领域得到越来越广泛的使用。本章通过将欧洲、美国及日本规范与中国规范中不锈钢螺栓连接设计的相关规定进行对比得出以下结论[8]：（1）欧洲、美国及日本规范的极限强度状态法是基于材料的极限强度设计的，而中国规范和日本规范的容许强度状态法是基于材料的屈服强度设计的；但各国规范所采用的安全系数及材料相关强度值存在较大不同。 （2）欧洲规范适用于冷成型和热轧型不锈钢；而美国规范只适用于冷成型不锈钢；日本规范钢种主要针对牌号 SUS304 冷成型不锈钢，主要是应用该钢种作为非结构构件所累积的经验最多。 （3）除此之外，日本规范还给出了高强度摩擦型螺栓的设计方法，欧洲规范尽管给出了相关抗滑移设计公式，但在设计中仍不推荐采用，其他规范均不推荐采用摩擦型螺栓设计。 （4）欧洲规范最为详细，考虑的安全系数很多，设计公式较其他规范复杂；美国规范从整体上叙述较简便，考虑的参数很少，使用简便。日本规范给出了两种设计方法，而且可适用于承压型和摩擦型两种螺栓连接。   
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第 3 章  不锈钢 S30408 材料本构模型的研究........ 18 
3.1  不锈钢材料的本构模型 ...... 18 
3.1.1  不锈钢材料应力- 应变模型 ........ 18 
3.1.2  各模型比较小结 ..... 21 
3.2  试验研究 .......... 22 
3.3  试验验证与有限元模拟 ...... 25 
3.3.1  试验结果与各模型比较 ...... 25 
3.3.2  试验结果与有限元数值模拟比较.... 26 
3.4  本章小结 .......... 28 
第 4 章  不锈钢构件螺栓连接节点的抗剪性能研究 .... 30 
4.1  不锈钢螺栓连接节点抗剪性能的试验研究 ........ 30
4.2  不锈钢构件螺栓连接节点的抗剪性能的有限元分析...... 47
4.3  不锈钢构件螺栓连接承压承载力设计方法 ........ 59 
4.4  本章小结 .......... 67 
第 5 章  不锈钢构件螺栓连接板外平面翘曲的研究 .... 69 
5.1  不锈钢螺栓连接在盖板为薄板平面外翘曲的试验研究 ........ 69
5.2  不锈钢螺栓连接平面外翘曲的有限元分析 ........ 73
5.3  板平面外翘曲的强度折减计算 ........ 78 
5.4  本章小结 .......... 80

第5章  不锈钢构件螺栓连接板外平面翘曲的研究 

试件在受力时，假如整个试件有均匀的收缩率，试件变形就不会发生翘曲，而试件截面仅仅会缩小尺寸。然而，由于试件设计尺寸、成型条件和受力不均匀等诸多因素的相互影响，要能达到均匀收缩是一件非常复杂的工作，特别是板件在较薄时，更难保证，即容易产生翘曲现象[44]。 

5.1  不锈钢螺栓连接在盖板为薄板平面外翘曲的试验研究 

应变片的读数如图 5-1b）所示，应变片的读数随荷载的增加而增大，加载初期增长缓慢，但加载至 60s 时增长显著，尤其是 F 和 G 两应变片。与此相对应，试验过程中，盖板在 60s 左右出现了翘曲现象，从图 5-1c）中可以看出，粘贴应变片的盖板上端发生翘曲，下端没有发生翘曲，未粘贴应变片的盖板其上下两端均发生翘曲现象，试验中应变片读数随着翘曲的发生有了新的变化。 由第四章图 4-3 可知，应变片 A 和 G 粘贴是对称的，A 和 G 数据变化基本对应，在未发生翘曲时，呈受压状态，数据相差较小，数据吻合良好，但在发生翘曲之后，受力情况发生由受压变为受拉。应变片 B 和 F 粘贴是反对称的，B 和 F 应变片的数据随着荷载的施加而逐渐增大，呈受压状态，起初数据吻合良好，但发生翘曲之后，翘曲一端受力情况由受压变为受拉。D 应变片数据随着力的加载而逐渐变大，但也远小于两端的变化。 从图 5-1d)中可以看出，试验后的芯板基本未发生明显的变形，这是由于翘曲的发生，导致承压荷载降低，所以芯板变形不明显。 

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结论

本文主要围绕不锈钢构件螺栓抗剪连接节点性能展开研究。通过对各国规范不锈钢螺栓连接设计方法对比、国产 S30408 不锈钢材料进行材料性能拉伸试验、不锈钢板件螺栓抗剪连接性能试验及有限元分析和对抗剪连接时薄板平面外翘曲等四个方面展开研究，得出以下结论： 
（1）本文将中国规范与欧洲规范、美国规范、日本规范进行对比分析。可知欧洲、美国及采用极限强度状态方法设计的日本规范是基于材料的极限强度设计的，而中国规范和采用容许强度状态方法设计的日本规范是基于材料的屈服强度设计的。而且，各规范所采用的安全系数及材料的相关强度取值存在较大不同。欧洲规范设计公式最为详细，考虑参数也最多；美国规范整体叙述简便，易于使用，但仅适用于冷成型不锈钢；日本规范采用两种方法设计，对承压型和摩擦型螺栓连接均适用。 
（2）为了研究国产奥氏体不锈钢 S30408 的本构关系，对不同厚度的不锈钢试件进行单向拉伸试验。基于试件拉伸的试验曲线，得到不锈钢的名义应力-应变曲线及相关参数，之后将试验结果与各本构模型进行对比。结果表明：不锈 钢材料具 有明显的 非线性；R-O 模型较试验值 结果偏大，Rasmussen 模型、G-N 模型和 Q uach 模型与试验值吻合良好，误差较小。最后，采用各本构模型确定的材料的真实应力-应变建立有限元模型进行分析，得到的分析结果与试验值较为吻合，建议确定的本构模型可用于后续关于不锈钢 S30408 构件及连接的相关研究。 
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参考文献(略)

本文编号：125087