新型装配式梁柱套筒组合螺栓连接节点及结构的力学性能研究

Connection plays a very important role in steel structure; its characteristics will directly affect safety, reliability, economic indicators and performance of design technology of steel structure. With respect to welding technology, connection with bolts can better meet the needs of the prefabricated steel structure construction process, obtain better mechanical properties, and effectively avoid weld quality defect and potential risk of brittle failure that come from welding scene, it has a broad prospect of application and development in high seismic intensity fortified towns, affordable housing, the earthquake disaster recovery reconstruction, and other building areas. The combined method of the theoretical analysis, experimental study and numerical simulation are used in the project, basic scientific problems with several levels such as joint bearing capacity, hysteretic performance of the connection, static and dynamic performance in elastic plastic and elastic range, structure seismic performance are researched deeply. The research will accumulate the basic research data of the new prefabricated connection, study mechanical property of the new prefabricated sleeve combined beam-column bolt joint, and put forward practical design calculation method. The study has important theoretical and applied value in the development of steel structure prefabricated connection design theory, the innovation of the prefabricated new joint structural mechanics calculation method, and the popularization and application of prefabricated steel structure engineering technology.

连接在钢结构中占有很重要的地位，其特性将直接影响钢结构设计技术的安全性、可靠性、经济指标和使用性能。相对于焊接技术，采用螺栓连接更能满足预制装配化钢结构施工工艺需要，且可以获得更为良好的力学性能，有效避免现场施焊带来的焊缝质量缺陷以及发生脆性破坏的潜在危险，尤其是在较高地震烈度设防的城镇、保障性住房、地震灾区恢复重建等建设领域具有广阔的应用和发展前景。本项目采用采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法，从连接节点承载力、连接节点滞回性能、结构弹性及弹塑性静力及动力性能、结构抗震性能多个层面的基础科学问题展开深入的研究。积累新型装配式连接节点基础研究数据，研究新型装配式梁柱套筒组合螺栓连接节点受力性能，提出实用设计和计算方法。本项目的研究对于发展钢结构新型装配式连接节点设计理论，创新装配式新型连接节点结构力学计算方法，促进装配式钢结构工程技术的推广和应用具有重要的理论和应用价值。

本课题在国家自然科学基金面上项目“新型装配式钢结构梁柱套筒组合螺栓连接节点及结构的力学性能”（51678316）资助下开展了为期四年的研究工作，完成了申请书预定的研究目标和任务。研究成果获山东省高校优秀科研成果一等奖1项，国家授权发明专利1项，成果纳入《矩形钢管混凝土节点技术规程》（T/CECS 506-2018）、《钢结构模块建筑技术规程》（T/CECS 507-2018）2部国家标准，发表论文22篇，其中SCI检索1篇，EI检索11篇，培养博士后1人，博士研究生2人，硕士研究生6人，研究成果对推动我国装配式建筑钢结构技术的应用及发展做出了积极贡献，取得了显著的经济和社会效益显著。课题主要的研究内容及创新点如下：（1）基于装配式套筒组合螺栓连接节点的静力及滞回性能研究，建立了节点弯矩-转角关系曲线及节点组合螺栓群抗拉承载力计算模型；（2）提出了装配式套筒组合螺栓连接结构内力分析及设计方法；（3）开展了装配式套筒组合螺栓连接节点拟静力滞回性能试验研究，并针对节点延性、耗能、骨架曲线、破坏模式、变形能力等抗震性能进行了全面评估；（4）研究了装配式外套筒壁厚、高强对拉螺栓直径、外伸端板厚度等节点参数对节点破坏形态、屈服承载力、极限承载力、初始转动刚度等性能的影响规律；(5)梁柱采用外套筒高强螺栓外伸端板组件连接，虽然可以提高节点变形和耗能能力，满足“强节点”在大震下对连接节点转动能力的要求，但过于显著的对拉效应，使节点产生滑移，滞回环由“弓形”过渡到“反S形”，节点的耗能能力下降趋势。（6）基于装配式钢框架闭口截面柱与梁采用单边自锁式高强螺栓连接的特性，开展了单边自锁式高强螺栓连接节点力学性能试验研究，揭示了因外套管分肢挤压弯折变形导致自锁式高强螺栓被拔出的破坏失效模式及规律；（7）建立了钢框架单边自锁式高强螺栓连接节点的刚度退化模型。上述研究成果为装配式钢框架梁柱采用套筒组合式高强螺栓及单边自锁式高强螺栓连接的工程应用提供了试验和理论分析依据。