螺纹锚固单边螺栓节点高温下及高温后受拉性能研究

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螺纹锚固单边螺栓是指通过带螺纹的螺栓孔实现锚固的螺栓。螺纹锚固单边螺栓无需螺母,因此能够仅从一侧进行安装,为钢管柱等闭口截面构件的连接提供了一种新的方式。螺纹锚固单边螺栓结构简单、造价低、安装方便,非常适合装配式钢结构建筑的现场安装施工。火灾是钢结构建筑在其服役期内面临的主要威胁之一,但目前尚无关于螺纹锚固单边螺栓连接节点的抗火性能的研究,也没有对于该类节点在火灾后的力学性能研究,也缺少相关的设计规范作参考。为了了解螺纹锚固单边螺栓连接节点在高温下的承载性能变化、以及合理的评估在高温后的残余承载力,为此类螺栓连接节点的实际应用提供参考,通过试验、有限元模拟和理论推导等多种方法开展了螺纹锚固单边螺栓连接节点在火灾下以及火灾后的力学性能研究。主要研究内容和成果包括:(1)进行了包含20个构件的螺纹锚固单边螺栓连接节点在高温下的受力性能试验。通过常温试验获得了单边螺栓节点在常温下的基本力学性能,包括破坏模式、承载力等。并在常温试验的基础上,通过稳态试验方法和瞬态试验方法开展了高温下单边螺栓节点受力性能试验,研究了螺栓直径、钢管壁厚度、火灾高温和荷载比等关键参数对节点受力性能和破坏模式的影响。(2)提出了在钢管柱内部安装H型钢的节点加强方法,以限制钢管柱壁的面外变形并增强螺纹孔对螺栓的锚固作用。进行了包含10个构件的内填H型钢加强的螺纹锚固单边螺栓连接节点高温力学性能试验,及包含10个构件的标准螺栓连接节点的高温力学性能对比试验。通过稳态和瞬态两种高温试验方法,对于内填H型钢对单边螺栓节点破坏模式的影响以及抗火性能的增强作用进行了分析。将单边螺栓节点以及内填H型钢加强单边螺栓节点在高温下的力学性能,与普通螺栓连接节点进行了比较,对于两类螺栓节点抗火性能的优劣进行了分析,验证了单边螺栓节点的可靠性。(3)建立了单边螺栓节点以及内填H型钢加强的单边螺栓节点的有限元模型,对于螺栓预紧力、钢材材料性能、节点尺寸、加强构件尺寸、火灾温度等关键参数进行了分析。对于单边螺栓节点以及采取加强措施的单边螺栓节点在高温下的刚度和承载力的劣化规律进行了深入分析与讨论,并对节点的不同破坏模式的破坏机理进行了讨论。基于试验和有限元分析的结果,提出了考虑高温下材料劣化及节点大变形的单边螺栓节点及内填H型钢加强的单边螺栓节点的破坏模式和承载力预测公式,并对所建立公式的准确性进行了验证。(4)开展了包含20个构件的单边螺栓节点在火灾高温后的残余力学性能试验,以及包含10个构件的内填H型钢加强单边螺栓节点残余力学性能试验,以及包含10个构件的标准螺栓节点对比试验。在试验中采用了全过程试验方法,考虑了火灾升降温过程中节点的持荷状态对其火灾后残余力学性能的影响,分析了火灾温度及荷载比等参数对单边螺栓节点在火灾后的力学性能的影响。对单边螺栓节点在火灾后的残余承载力进行了分析,并将单边螺栓节点的残余力学性能与标准螺栓节点进行比较,为此类单边螺栓节点在火灾后重新利用提供参考。
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