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摘 要
Abstract
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 单边螺栓研发进展
1.2.1单边螺栓工作机理
1.2.2单边螺栓国内外研究现状
1.3 矩形钢管柱与H型钢梁单边螺栓连接节点研究现状
1.3.1国外研究现状
Walid Tizani等[26]研究了钢管混凝土柱EHB螺栓端板连接节点的拟静力特性，对六个全尺寸连接件进行拟静力加载试验。研究的关键参数是循环加载程序的振幅、螺栓等级、管壁厚度和混凝土等级。对不同荷载循环下节点的强度、刚度、转动能力和耗能能力进行了评价。EHB螺栓连接提供了具有适当强度和刚度的稳定滞回性能，其中强度与标准高强螺栓的强度相当，并且可以实现刚性性能。从强度、刚度、延性和破坏模式等方面研究了管壁厚度和混凝土等级对连接性能的影响。结果表明，通过控制管壁厚度和混凝土强度可以达到所要求的性...
Mohammed Mahmood等[27]通过试验研究和数值分析，研究了方钢管壁厚对方钢管与连接件EHB单边螺栓连接试件力学性能的影响。通过在螺栓上施加拉拔载荷，对六个试件进行了试验，试件设计成柱面弯曲失效，试验变量主要是柱壁厚度。利用ABAQUS有限元分析软件对试验结果进行了扩展，并对柱壁厚度的影响进行了定量分析。结果表明，柱壁厚度对连接强度和刚度有明显影响。
J. Lee等[30]设计方钢管柱与受拉区T形件连接试件，采用单边螺栓Ajax ONESIDE连接，对试件进行单调拉伸和压缩试验，试验结果与现有屈服线理论模型预测屈服前挠性柱面在受拉区所能承受的最大载荷进行了比较，取得了较好的一致性。试验结果还用于验证一个详细的三维有限元(FE)模型，该模型模拟了所提出的连接节点。研究结果表明，螺栓套筒能有效地减少单边螺栓的弯曲，从而提高连接的强度和刚度；根据EC3规范，T型单边螺栓连接为半刚性连接，连接的刚度主要取决于柱面的柔性；所开发的构件模型能够以合理的精确...
Korol R等[34]对5个梁柱外伸端板单边螺栓连接节点进行试验研究，其中单边螺栓采用BOM和HSBB。研究结果表明连接节点具有良好的强度、刚度和延性性能。HSBB单边螺栓连接节点与常规高强螺栓连接节点性能相似， BOM单边螺栓连接节点的连接性能没有达到常规高强螺栓连接节点的强度。
K. Nakajima等[35]对TCBB单边高强螺栓进行了拉伸试验、滑移试验、疲劳试验和轴向力松弛试验，研究了其力学性能和疲劳特点。研究结果表明:滑移系数大于等于0.4，抗滑移性能较好。TCBB单边高强螺栓的轴向力松弛及疲劳设计曲线与常规高强度螺栓相似，TCBB单边高强螺栓节点具有与常规高强度螺栓节点相同的疲劳设计曲线。
1.3.2国内研究现状
李国强等[36]对研发出的国产单边螺栓STUCK-BOM进行力学参数试验研究，对６种不同型号的8.8级单边螺栓进行轴向拉伸和剪切试验，每个螺栓均改变连接件钢板厚度进行多组试验。通过试验得到了8.8级单边螺栓在轴向拉伸和剪切作用下的荷载－位移曲线，由此得到单边螺栓初始刚度、抗拉承载力和抗剪承载力等力学性能指标。试验结果表明：单边螺栓的抗拉极限承载力和同等级常规承压型高强螺栓相同，抗剪极限承载力优于同等级常规承压型高强螺栓，满足工程应用的需求。
李国强等[1，37-38]进行了矩形钢管柱与H型钢梁外伸式端板和平齐式端板单边螺栓连接节点的单调静力加载试验，提出了两种连接节点分别由单边螺栓控制、端板控制和柱壁控制的抗弯承载力理论计算公式；分别推导了单边螺栓抗拉刚度、受拉端板抗弯刚度、柱壁抗拉刚度、柱壁抗压刚度和受压外伸式端板抗压刚度的计算公式。利用组件法推导了平齐式、外伸式端板连接节点在弯矩作用下初始转动刚度的理论计算公式。
王静峰等[8，39]对钢管混凝土柱-钢梁单边螺栓连接节点进行了单调加载和拟静力加载试验，研究了节点的破坏形态、连接特征和弯矩-转角关系，基于组件法提出了节点的弹簧刚度模型。研究表明，节点具有半刚性特性，具有良好的抗震性能和转动能力。并且对钢管混凝土柱-钢梁单边高强螺栓端板连接框架进行了拟静力加载试验，研究了连接框架结构在地震作用下的抗震性能和破坏机理。研究表明，单边高强螺栓连接的半刚性钢管混凝土框架结构具有良好的滞回性能和耗能能力。
Zhi-Yu Wang等[40]对方钢管柱外伸端板连接节点受拉区进行简化，将外伸端板与H型钢梁受拉区简化成T型件，设计制作11个矩形钢管柱与T型件单边螺栓连接试件，对试件进行单调拉伸试验。研究了三种失效模式下螺栓列距、方钢管壁厚和螺栓直径对连接强度的影响。根据试验结果，在充分考虑SHS柱的塑性和单边螺栓与三种破坏模式的共同作用的基础上，建立了预测节点屈服强度的分析模型。在充分考虑膜效应和螺栓环向锁定作用的基础上，将解析模型推广到极限强度的预测模型。同时建立单边螺栓的有限元模型，模拟结果与试验结果进...
李德山，王志滨等[43]以钢管混凝土柱-钢梁单边螺栓连接节点拟静力加载试验研究为基础，采用 ABAQUS软件建立非线性有限元模型，研究节点核心区构造措施对节点弯矩-转角曲线的影响规律．研究结果表明：单边螺栓连接节点具有良好的延性性能，节点核心区外焊槽钢或内置短H钢能显著提高节点力学性能，单边螺栓连接节点为半刚性连接、部分强度节点。
1.4 本文研究内容
性能试验研究
2.1 试验目的及内容
2.2试验概况
2.2.1 试件设计
2.2.2 材性试验
2.2.3 加载装置及加载方案
2.3试验现象
2.4试验数据分析
2.4.1试件承载力分析
2.4.2单边螺栓抗拉承载力分析
2.4.3试件变形及初始刚度分析
2.5 本章小结
连接节点拟静力试验研究
3.1 试验目的及内容
3.2.1节点设计
3.2.2节点验算
3.3试验概况
3.3.1 材性试验
3.3.2 加载装置
柱施加轴向压力，液压千斤顶通过小短柱与水平反力梁固定连接，节点轴压比取0.2，通过液压千斤顶施加326kN轴向荷载，并且保证在试件加载过程中柱顶轴向压力始终保持不变。梁端通过250kN液压伺服作动器施加竖向低周往复荷载，作动器顶端与水平反力梁连接固定，作动器荷载量程为±25t，位移行程为±200mm，系统精度为1%。试件与作动器连接完成后，加载前保证作动器处于中心位置，以保证作动器加载的±200mm位移行程。
3.3.3 数据采集及量测仪器
3.3.4 加载制度
3.4试验现象
3.4.1 试件JD-1
3.4.2 试件JD-2
3.4.3 试件JD-3
3.4.4 试件JD-4
3.4.5 试件JD-5
3.4.6 试件JD-6
3.4.7试件破坏模式概述
3.5试验数据分析
3.5.1滞回曲线
点抗弯承载力基本相同。JD-1达到荷载峰值点的梁端位移大于JD-2的梁端极限位移，说明单边高强螺栓连接节点破坏时的节点变形比常规高强螺栓连接节点更大。由3.16（b）可看出，JD-3滞回曲线的形状与JD-1基本一致，节点的滞回性能基本一致，JD-3与JD-1的极限承载力基本一致，这是因为虽然JD-3没有设置柱内隔板，但是试件JD-3仍然满足“强柱弱梁，强节点、弱构件”设计，节点破坏仍由梁端产生塑性铰控制。JD-3的极限位移大于JD-1，这是因为JD-3没有设置柱内隔板，柱壁变形大于JD-1。说明在...
3.5.2骨架曲线
3.5.3延性性能
3.5.4耗能能力
3.5.5刚度退化
3.6节点恢复力模型
3.6.1骨架曲线模型
3.6.2滞回曲线模型
3.7 本章小结
连接节点静力性能有限元分析
4.1 研究目的与内容
4.2 有限元模型
4.2.1有限元软件选取
4.2.2有限元模型建立
4.2.3材料属性
4.2.4网格划分
4.2.5边界条件及加载制度
4.2.6分析类型及求解设置
4.3有限元分析结果
4.3.1破坏模式
JD-6应力云图如图4.9所示，节点因未设置端板加劲肋，在向下的单调静力荷载作用下，端板在钢梁上翼缘处产生很大弯曲变形，端板在与上翼缘连接处产生较大的拉应力，因有限元模拟特性未能表现出端板断裂的现象，如图4.9（d）。钢梁在与端板连接处应力集中，钢梁未产生塑性铰外移的现象，钢梁下翼缘在钢梁端部产生较大的压应力，如图4.9（b）。柱壁产生轻微凹凸变形，单边高强螺栓在外套管分肢与外套管交界处产生应力集中，如图4.9（c）、（e）所示。
4.3.2荷载-位移曲线
节点的荷载-位移曲线如图4.10所示，各节点荷载-位移曲线发展规律基本一致，均经历弹性、弹塑性和塑性阶段。加载初期节点处于弹性阶段，荷载-位移曲线呈比例增长，随后进入弹塑性阶段，荷载增速减慢，节点刚度减小，进入塑性阶段后荷载基本不变，节点产生塑性变形。其中JD-6因未设置端板加劲肋，端板变形较大，节点荷载-位移曲线没有产生明显屈服点，钢梁也未达到完全塑性阶段。JD-5因为单边螺栓承载力不足，单边螺栓过早达到极限应力同样导致钢梁未达到完全塑性。其余节点均在钢梁加劲肋端部产生塑性铰破坏，达到完全塑性阶...
表4.3 节点特征值
4.3.3 节点刚度特性
4.4有限元分析与试验结果对比
4.4.1破坏模式对比
节点有限元分析的破坏模式与试件试验结果对比图如图4.14所示，虽然试件的试验加载方案为拟静力加载，而节点的有限元模拟为单调加载模式，但试件的破坏模式还是具有一定的可比性，旨在比较矩形钢管柱与H型钢梁外伸端板连接节点在不同的构造措施和构造参数下的破坏模式，验证有限元模拟的准确性。由对比图可见，各试件的破坏模式基本一致，JD-1、JD-2、JD-3、JD-4钢梁达到塑性破坏，在加劲肋端部产生塑性铰，JD-5螺栓过早达到极限承载力，钢梁未达到完全塑性，JD-6端板弯曲变形较大，因有限元模拟未考虑断裂特性...
4.4.2荷载—位移曲线对比
节点有限元分析分析的荷载-位移曲线与试件试验结果的骨架曲线对比图如图4.15所示，虽然试件试验的加载方案为拟静力加载，而节点的有限元模拟为单调加载模式，但是节点在弹性阶段的初始转动刚度基本相同，且节点的抗弯极限承载力在相同的破坏模式下基本相同，因此节点有限元分析结果与试件试验结果的骨架曲线对比旨在对比节点的初始转动刚度和节点的抗弯承载力，验证有限元模拟的准确性。节点有限元模拟与试验结果的抗弯极限承载力对比如表4.7所示，节点有限元模拟与试验结果的初始转动刚度对比如表4.8所示。由荷载-位移对比曲线...
表4.7 节点极限承载力有限元与试验结果对比
表4.8 节点初始转动刚度有限元与试验结果对比
4.5 本章小结
（1）节点试件的有限元模拟结果中，单边高强螺栓和节点的破坏模式、节点的抗弯承载力、节点的初始转动刚度等与试验结果取得较好的一致性，交叉验证了试验及有限元模拟结果的准确性。
（2）按照欧洲规范Eurocode3中介绍的节点刚度分类方法对矩形钢管柱与H型钢梁外伸端板连接节点的刚度特性进行分类，结果表明矩形钢管柱与H型钢梁外伸端板单边螺栓连接节点表现出半刚性特性，为典型的半刚性连接节点。
第五章 结论与展望
5.1结论
5.2展望
参考文献
[47] GB50017-2003钢结构设计规范[S].北京: 中国计划出版社, 2003.
攻读硕士学位期间发表的学术论文、参加的科研、 工程实践及获奖情况
致 谢
