高等鋼結(jié)構(gòu)理論

1高等鋼結(jié)構(gòu)理論2第一章鋼材性質(zhì)與結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)綜述1.1鋼結(jié)構(gòu)的核心價值1.2鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個領(lǐng)域1.3選用鋼結(jié)構(gòu)的基本原因和附加原因1.4鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程1.5鋼結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算1.6鋼結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)：

1.6.1鋼結(jié)構(gòu)荷載與作用的特點(diǎn)1.6.2提高鋼結(jié)構(gòu)承載效率的方法1.6.3提高鋼結(jié)構(gòu)建造和維護(hù)工作效率的方法1.6.4提高鋼結(jié)構(gòu)延性的方法1.7鋼結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新－反向平衡法蘭的研發(fā)31.1鋼結(jié)構(gòu)的核心價值：承、重比高、快速施工和延性好1）承載能力與重量之比高（用于主體結(jié)構(gòu)）

傳統(tǒng)概念：強(qiáng)質(zhì)比，針對材料新概念：承、重比，針對結(jié)構(gòu)區(qū)別：承載能力包含材料強(qiáng)度因素，也包含用此種材料做成結(jié)構(gòu)件的幾何要素，如作為梁、柱，鋼材可形成高效的截面；作為樓板，鋼材難以形成適用、高效（高抗彎模量、高慣性矩）的截面。

2）工廠制作，工地螺栓連接，施工周期短i）工廠制作（成形、焊接、涂裝）優(yōu)質(zhì)高效ii）工地螺栓連接快速、省工iii）充分利用時間與空間交叉特性，節(jié)約工期

41.1鋼結(jié)構(gòu)的核心價值：輕質(zhì)、快速和延性好3）結(jié)構(gòu)延性好

i）在極限荷載與作用下可進(jìn)行內(nèi)力重分布

ii）可耗能減振4）為實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)核心價值應(yīng)解決的問題i）穩(wěn)定問題ii）銹蝕問題iii）防火問題

51.2鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個領(lǐng)域及原因1、單層輕鋼廠房及倉庫

工程受力特點(diǎn)：表面活荷載小，跨度大 工程外形特點(diǎn)：簡單、標(biāo)準(zhǔn)化61.2鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個領(lǐng)域及原因2、大跨度公共建筑屋面 工程受力特點(diǎn)：表面活荷載小，跨度大 工程外形特點(diǎn)：造型復(fù)雜多變代表建筑物

江寧體育場

詳見幻燈片10

上海浦東國際機(jī)場

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上海新國際博覽中心

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南京奧林匹克體育中心

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國家體育場的“鳥巢”方案

詳見幻燈片1471.2鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個領(lǐng)域及原因江寧體育場

大跨度公共建筑81.2鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個領(lǐng)域及原因3、超高層建筑 工程受力特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)水平荷載與作用和高度的平方成正比，結(jié)構(gòu)的豎向力作用與水平力作用有耦連放大之勢。代表建筑物上海金貿(mào)大廈詳見幻燈片16

浦東國際金融大廈詳見幻燈片17

北京京廣中心詳見幻燈片17

深圳地王大廈詳見幻燈片18

廣州中信大廈詳見幻燈片1991.2鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個領(lǐng)域及原因

1998年金茂大廈88層420m

混凝土核心筒:鋼巨型外伸桁架,鋼骨混凝土巨型柱

超高層建筑101.2鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個領(lǐng)域及原因4、高聳結(jié)構(gòu) 工程受力特點(diǎn)同超高層建筑代表建筑物（結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)意，結(jié)構(gòu)形式，特點(diǎn)） 佛山廣播電視塔（230m高）

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黑龍江廣播電視塔（336m高）詳見幻燈片22

林芝電視塔（103m高）詳見幻燈片22

臨沂電視塔（326m高）詳見幻燈片22

海南電視塔詳見幻燈片22

河南電視塔（388m高）詳見幻燈片22111.2鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個領(lǐng)域及原因高聳結(jié)構(gòu)

黑龍江廣播電視塔被稱為龍塔，坐落在哈爾濱高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，高度為336米，亞洲第一鋼塔。電視塔集廣播電視發(fā)射、旅游觀光、廣告?zhèn)鞑?、餐飲娛樂、科技樂園、無線通訊、環(huán)境氣象監(jiān)測等多種綜合性功能于一身，成為素有“東方莫斯科”美譽(yù)的北國名城哈爾濱市乃至黑龍江省新的標(biāo)志性景觀。黑龍江電視塔121.2鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個領(lǐng)域及原因高聳結(jié)構(gòu)河南省廣播電視發(fā)射塔總高388m,由塔身結(jié)構(gòu)、塔樓結(jié)構(gòu)及桅桿結(jié)構(gòu)等組成。塔身由內(nèi)筒及外筒組成,采用全鋼結(jié)構(gòu)。外筒由10根桉葉糖形鋼管塔柱構(gòu)成。河南電視塔131.3選用鋼結(jié)構(gòu)的基本原因和附加原因1）基本原因：

活荷載與全部豎向荷載之比越小，采用鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)越性更大；2）附加原因：i）跨度大，結(jié)構(gòu)效應(yīng)放大系數(shù)大ii）地震烈度大iii）軟土地基IV）勞動力價格高V）造型復(fù)雜

141.4鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程圖1-1鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖

前期準(zhǔn)備，調(diào)查研究概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)布置施工圖設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)151.5鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的內(nèi)容圖1-2鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)算內(nèi)容圖161.6鋼結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)1.6.1鋼結(jié)構(gòu)荷載與作用的特點(diǎn)1）風(fēng)荷載

i）陣風(fēng)系數(shù)βgz（計(jì)算墻、梁）和風(fēng)振系數(shù)βz（計(jì)算主體結(jié)構(gòu)）ii）風(fēng)荷載的方向及其與重力荷載的組合以及產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)效應(yīng)2）冰雪荷載：條件、取值和導(dǎo)向3）溫度作用：整體尺度，平衡點(diǎn)；分析相對溫差，釋放溫差效應(yīng)，初始溫度控制及溫差效應(yīng)的選取4）地震作用

減輕附屬結(jié)構(gòu)增加結(jié)構(gòu)延性減少地震作用效應(yīng)增大結(jié)構(gòu)阻尼5）荷載與結(jié)構(gòu)的變異171.6鋼結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)1.6.2提高鋼結(jié)構(gòu)承載效率的方法1）使盡可能多的構(gòu)件處于均布和簡單應(yīng)力狀態(tài)（如桁架，拱，索結(jié)構(gòu)等）2）均衡發(fā)揮結(jié)構(gòu)整體效應(yīng)：如對高層鋼結(jié)構(gòu)的筒中筒，外筒與內(nèi)筒共同抗彎，但若外筒柱長細(xì)比加大，則不能與內(nèi)筒共同抗彎，要用桁架法解決共同抗彎問題。3）傳力直接例1）龍門吊提升支架柱的連接法蘭圖。柱的壓力通過局部承壓直線傳遞（不通過法蘭板抗彎及焊縫傳遞）

龍門吊提升支架柱的連接法蘭圖181.6鋼結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)龍門吊提升支架大梁連接圖例2）龍門吊提升支架大梁連接圖。梁上翼緣壓力通過局部承壓直線傳遞（不通過高強(qiáng)螺栓抗剪傳遞）例3）高強(qiáng)螺栓直接張拉法提高螺栓強(qiáng)度20%191.6鋼結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)4）利用各種可能的因素傳遞內(nèi)力例：利用柱腳次彎矩產(chǎn)生的柱腳局部彎曲壓應(yīng)力產(chǎn)生剪力抗剪，取消抗剪鍵。5）區(qū)別不同受力類別和比例，分別確定穩(wěn)定控制條件和驗(yàn)算方法。

例：對軸壓柱，徑厚比限定小于100；對于主要受彎管結(jié)構(gòu)，徑厚比超過100~250之間，可對強(qiáng)度作折減。201.6鋼結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)6）通過研究明確結(jié)構(gòu)傳力途徑例：法蘭板受壓，法蘭板受拉。

法蘭連接示意法蘭板計(jì)算211.6鋼結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)6）通過研究明確結(jié)構(gòu)傳力途徑例：外法蘭受彎，內(nèi)法蘭受彎。

外法蘭盤內(nèi)法蘭盤221.6鋼結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)1.6.3提高鋼結(jié)構(gòu)建造和維護(hù)工作效率的方法1）基本方法：工廠制造，工地螺栓連接2）工廠成型，焊接有專用設(shè)備，優(yōu)質(zhì)高效，檢驗(yàn)嚴(yán)格，還可消除部分內(nèi)應(yīng)力3）工廠制作完噴砂后作防腐蝕涂層，工地螺栓連接保護(hù)涂層完好，提高結(jié)構(gòu)耐久性4）工地螺栓連接省時、省工，內(nèi)應(yīng)力小5）螺栓連接特殊問題的處理：i）螺栓連接的位置選擇a）考慮構(gòu)件制造、運(yùn)輸、安裝單元劃分；b）考慮安裝設(shè)備及安裝工藝c）考慮內(nèi)力較小位置d）考慮節(jié)約用鋼量e）對設(shè)計(jì)內(nèi)力較小而變異較大的構(gòu)件采用均衡設(shè)計(jì)法231.6鋼結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)ii）螺栓連接與工地焊接的適當(dāng)互補(bǔ)a）螺栓為焊縫作定位保證b）焊接用于翼緣受力直接、高效，無突出物。c）螺栓要與焊縫共同受力須為高強(qiáng)螺栓iii）螺栓的防松a）普通螺栓應(yīng)要求在荷載頻遇值下不滑動。（預(yù)拉力取1/3P）b）普通螺栓用雙螺母或扣緊螺母防松c）受剪、受拉高強(qiáng)螺栓靠預(yù)應(yīng)力防松d）受疲勞拉、壓交變力的高強(qiáng)螺栓連接使用長螺桿，直接張拉法施工防松

241.6鋼結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)1.6.4提高鋼結(jié)構(gòu)延性的措施1）保證材料延性和沖擊韌性參數(shù)：延性，沖擊韌性，厚度，Z向性能，雜質(zhì)含量2）避免外形突然變化或銳角交叉3）避免焊縫三向交叉及大量集中4）連接配置剛?cè)嵯酀?jì)，減少安裝應(yīng)力5）用滑移，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)造成可控的延性變形例：高強(qiáng)螺栓由摩擦型向承壓型轉(zhuǎn)換過程及其應(yīng)用

25長圓孔變型性高強(qiáng)螺栓節(jié)點(diǎn)

長圓孔變型性高強(qiáng)螺栓節(jié)點(diǎn)

①概念

按照控制梁上塑性鉸的原則,采用長圓孔變型性高強(qiáng)螺栓節(jié)點(diǎn)作為抗震延性節(jié)點(diǎn)。所謂變型性,是指在加載過程中,連接節(jié)點(diǎn)的高強(qiáng)螺栓由摩擦型變成承壓型這種性能。節(jié)點(diǎn)的翼緣與腹板均采用螺栓連接,螺栓孔開成長圓形,通過螺栓的滑動來增加節(jié)點(diǎn)的延性變形能力。26長圓孔變型性高強(qiáng)螺栓節(jié)點(diǎn)

②試驗(yàn)概況i）試驗(yàn)對象

試驗(yàn)對象為鋼框架結(jié)構(gòu)中帶懸臂梁段的梁柱剛接節(jié)點(diǎn)，其中柱截面為HN800×300,通過支座及錨栓固定在試驗(yàn)臺上,梁截面為HM600×300。對4個試件進(jìn)行循環(huán)加載,其中1個為對比試件,

3個為優(yōu)化試件。對比試件節(jié)點(diǎn)連接采用實(shí)際工程中應(yīng)用較多翼緣完全焊透的坡口對接焊,腹板用螺栓連接。而優(yōu)化試件采用的是長圓孔變型性高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)，長圓孔長軸方向是沿梁的軸線方向，構(gòu)件在連接處接觸面處理方法為噴砂后生赤銹。27長圓孔變型性高強(qiáng)螺栓節(jié)點(diǎn)

ii）試驗(yàn)加載點(diǎn)與測點(diǎn)布置

采用液壓千斤頂在梁端加勁肋處施加循環(huán)荷載P,上下2個千斤頂分別加載。為了防止試件發(fā)生整體失穩(wěn),在梁的兩側(cè)各設(shè)置1個側(cè)向支撐。為了測量梁的變形及塑性轉(zhuǎn)角,在梁上C1、C2、C3、C4位置布置測點(diǎn),每個測點(diǎn)處都布置電子位移計(jì)。為測量加載過程中節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力,在拼接板上粘貼了電阻應(yīng)變片。

加載點(diǎn)及測點(diǎn)布置圖iii）加載制度

采用低周反復(fù)加載模式,即在每級荷載下按靜力荷載試驗(yàn)的模式加載和卸載,再反向加卸載進(jìn)行低周循環(huán)。28長圓孔變型性高強(qiáng)螺栓節(jié)點(diǎn)

③試驗(yàn)現(xiàn)象

彈性階段：4個試件加載中均無聲音發(fā)出,試件幾乎沒有任何變形。塑性階段：對比試件在加載中逐漸聽見細(xì)微的響聲,最終剖口處的腹板與翼緣連接處出現(xiàn)斷裂（圖a）。3個優(yōu)化試件,隨著循環(huán)荷載的增大,翼緣拼接板出現(xiàn)彎曲變形（圖b），并在加載過程中伴隨著數(shù)聲巨響,翼緣的上下兩塊拼接板發(fā)生錯動。最終翼緣連接板屈曲,梁端變形過大,試件發(fā)生扭轉(zhuǎn),停止加載。在試驗(yàn)結(jié)束之后觀察,螺栓在連接板上留下的滑移痕跡非常明顯（圖c）。圖a圖c圖b29長圓孔變型性高強(qiáng)螺栓節(jié)點(diǎn)

④試驗(yàn)結(jié)果與分析

i）滯回性能對比試件的滯回曲線呈紡錘型,無捏攏現(xiàn)象,而優(yōu)化試件的滯回曲線基本成平行四邊形,滯回環(huán)所包含的面積較大,說明具有較好的耗能能力。試件滯回曲線圖30長圓孔變型性高強(qiáng)螺栓節(jié)點(diǎn)

ii）塑性轉(zhuǎn)角

對比試件的塑性轉(zhuǎn)角只達(dá)到0.0204rad,而3個優(yōu)化試件的塑性轉(zhuǎn)角都大于0.05rad,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了0.03rad（FEMA臨時指南要求剛性連接試件在破壞時的塑性轉(zhuǎn)角）,抗震性能得到大幅提高。梁端塑性轉(zhuǎn)角表注：θp是指梁端塑性位移除以梁的長度。

iii）延性

3個優(yōu)化試件節(jié)點(diǎn)的位移延性系數(shù)達(dá)到對比試件的2～3倍,延性變形能力有較大的提高。

延性系數(shù)表注：位移延性系數(shù)μ根據(jù)C4點(diǎn)的極限位移Δu

與屈服位移Δy(梁截面進(jìn)入塑性或螺栓滑移時對應(yīng)的位移)之比來確定。31長圓孔變型性高強(qiáng)螺栓節(jié)點(diǎn)

iv）耗能能力

試件的能量耗散能力用能量耗散系數(shù)E表示。對比試件隨著構(gòu)件進(jìn)入塑性,能量耗散系數(shù)E逐漸增大,最終破壞時耗散系數(shù)達(dá)到1.45。而優(yōu)化試件的能量耗散系數(shù)都是先增大后減小,進(jìn)入塑性之后,通過螺栓的滑移,構(gòu)件的耗能能力有了明顯的提升,在塑性階段,3個構(gòu)件的能量耗散系數(shù)分別達(dá)到2.33、2.01、1.94。E-Δ關(guān)系曲線圖32反向平衡法蘭創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程反向平衡法蘭極限承載力試驗(yàn)試驗(yàn)?zāi)康腉J2說明、試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析液壓張拉器研制調(diào)兵山風(fēng)場試驗(yàn)塔筒實(shí)體安裝及現(xiàn)場實(shí)測實(shí)體安裝實(shí)測目的安裝階段實(shí)測發(fā)電200小時后實(shí)測反向平衡法蘭疲勞試驗(yàn)試驗(yàn)?zāi)康腉J1說明、試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析結(jié)論1.7鋼結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新－反向平衡法蘭的研發(fā)331.7.1反向平衡法蘭創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程厚型鍛造法蘭優(yōu)點(diǎn)：焊縫少，抗疲勞性能好，法蘭剛度大。缺點(diǎn)：造價太高，端面要銑平，材料用量大，螺孔偏差不易處理。①34厚型鍛造法蘭雙層法蘭優(yōu)點(diǎn)：螺栓直徑減小，數(shù)量增多以改善手工操作條件，并減小法蘭板尺寸及跨度，從而減小法蘭板厚度，減少用鋼量。缺點(diǎn)：焊接工作量增大較多，部分焊縫有施工干擾；端面銑平加工量仍較大（無改善）。②1.7.1反向平衡法蘭創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程35厚型鍛造法蘭雙層法蘭反向法蘭優(yōu)點(diǎn)：

1）取消下法蘭板后焊接工作量減少，且加勁板的焊接不受下法蘭板的阻擋，質(zhì)量易于保證；2）銑平加工僅對鋼管端面，工作量大為減少； 3）用鋼量比雙層法蘭減少；4）保持螺栓加預(yù)拉力便利的特點(diǎn)，從而抗疲勞性能及維護(hù)性能不變。③1.7.1反向平衡法蘭創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程36缺點(diǎn)：

反向法蘭中加勁板與鋼管連接焊縫的彎曲作用很大，除了要增加加勁板長度外，還會對鋼管端部區(qū)域產(chǎn)生較大的徑向壓力。由于這部分徑向壓力缺少環(huán)狀下層法蘭的平衡，故在鋼管端部引起很大的環(huán)向拉應(yīng)力。若要減小這一環(huán)向拉應(yīng)力，則要加長法蘭的加勁板，加勁板長了，螺栓也要加長，用鋼量又會上升。厚型鍛造法蘭雙層法蘭反向法蘭③1.7.1反向平衡法蘭創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程37厚型鍛造法蘭雙層法蘭反向法蘭反向平衡法蘭優(yōu)點(diǎn)：1）螺栓直徑小，長度適當(dāng)，可精確控制預(yù)拉力值從而達(dá)到抗疲勞和免維護(hù)功能（功能比厚型鍛鑄法蘭提高）；2）螺栓操作間距不受加勁板影響，螺栓布置細(xì)密緊湊，法蘭板減??；④1.7.1反向平衡法蘭創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程38優(yōu)點(diǎn)：3）減小鋼材20%以上，同時降低法蘭部分每噸成品單價60%；4）端銑加工面減少；5）對管壁無不利作用；6）焊接量較少，焊接便利；7）已有適當(dāng)工藝措施保證接觸面質(zhì)量。1.7.1反向平衡法蘭創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程厚型鍛造法蘭雙層法蘭反向法蘭反向平衡法蘭④391.7.2反向平衡法蘭極限承載力試驗(yàn)試驗(yàn)?zāi)康呐袛喾聪蚱胶夥ㄌm節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)荷載情況下是否滿足受力要求對法蘭節(jié)點(diǎn)應(yīng)力、變形做出評估法蘭節(jié)點(diǎn)的失效模式及極限承載力為設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，并根據(jù)需要對設(shè)計(jì)提出改進(jìn)意見401.7.2反向平衡法蘭極限承載力試驗(yàn)試驗(yàn)說明——標(biāo)高15.92m～57.92m段1:3模型GJ2節(jié)點(diǎn)管壁外徑×厚度(mm)加勁板高度×厚度(mm)法蘭板寬度×厚度(mm)螺栓個數(shù)螺栓直徑螺栓預(yù)緊力(kN)鋼管面積比鋼管慣性矩比螺栓預(yù)緊力比縮尺模型FL2897×447×742×872M1240111FL31074×547×742×8108M1240111實(shí)際構(gòu)件FL22690×12140×18120×2572M303558.9980.98.9FL33222×16140×18120×25108M303559.686.38.9411.7.2反向平衡法蘭極限承載力試驗(yàn)GJ2說明——加工圖紙F(tuán)L3FL2421.7.2反向平衡法蘭極限承載力試驗(yàn)GJ2說明——測試方案3-3截面處應(yīng)變片(S1~S3)6-6截面處應(yīng)變片(S4~S6)節(jié)點(diǎn)根部1-1截面處應(yīng)變花(T1~T3)節(jié)點(diǎn)外2-2截面處應(yīng)變花(T4~T6)節(jié)點(diǎn)根部4-4截面處應(yīng)變花(T7~T19)節(jié)點(diǎn)外5-5截面處應(yīng)變花(T10~T12)合計(jì)：6片應(yīng)變片，12個應(yīng)位移測試：WY1~WY3合計(jì)：3個位移計(jì)431.7.2反向平衡法蘭極限承載力試驗(yàn)GJ2說明——加載方案GJ2節(jié)點(diǎn)FL2和FL3的設(shè)計(jì)彎矩荷載值對應(yīng)的千斤頂?shù)呢Q向加載值為P=46KN。1:3縮尺后，為保證截面縮尺后的應(yīng)力分布及應(yīng)力水平和實(shí)際構(gòu)件一致，縮尺構(gòu)件上的作用力、亦應(yīng)按比例減小。FL3FL2所以：441.7.2反向平衡法蘭極限承載力試驗(yàn)GJ2試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析三個位移測點(diǎn)荷載-位移曲線1.2倍設(shè)計(jì)荷載作用下，鋼管和法蘭節(jié)點(diǎn)的剛度沒有發(fā)生突變。卸載時各位移測點(diǎn)位移均基本回彈至初始位置，整個試件處于彈性狀態(tài)。1.52倍設(shè)計(jì)荷載時，鋼管局部屈曲先于法蘭節(jié)點(diǎn)破壞，說明法蘭節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度足夠，具備了相當(dāng)?shù)陌踩珒洹?.52倍設(shè)計(jì)荷載時，距FL3節(jié)點(diǎn)根部3.5m處受壓區(qū)鋼管發(fā)生局部失穩(wěn)。該截面所受彎矩為775.4kN.m，為規(guī)范計(jì)算所得鋼管抗彎承載力(739.6kN.m)的1.05倍。

451.7.2反向平衡法蘭極限承載力試驗(yàn)GJ2試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析鋼管截面測點(diǎn)應(yīng)力461.7.2反向平衡法蘭極限承載力試驗(yàn)GJ2試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析FL2節(jié)點(diǎn)法蘭段內(nèi)鋼管同一截面測點(diǎn)應(yīng)力FL2節(jié)點(diǎn)法蘭段外鋼管同一截面測點(diǎn)應(yīng)力T7~T9測點(diǎn)在法蘭螺栓預(yù)緊力施加之后布置，其應(yīng)變值反映的是該點(diǎn)的應(yīng)變的變化量。卸載時，基本上線性變化回歸至初始狀態(tài)，可知鋼材處于彈性階段。471.7.2反向平衡法蘭極限承載力試驗(yàn)GJ2試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析FL3節(jié)點(diǎn)法蘭段內(nèi)鋼管同一截面測點(diǎn)應(yīng)力FL3節(jié)點(diǎn)法蘭段外鋼管同一截面測點(diǎn)應(yīng)力T1~T3測點(diǎn)在法蘭螺栓預(yù)緊力施加之后布置其應(yīng)變值反映的是該點(diǎn)的應(yīng)變的變化量。卸載時，基本上線性變化回歸至初始狀態(tài)，可知鋼材處于彈性階段。試件上下各測點(diǎn)的應(yīng)變隨荷載增加而增加，呈線彈性變化趨勢。加載至1.2倍設(shè)計(jì)荷載時，最大Von-mises應(yīng)力289.9MPa發(fā)生在T6點(diǎn)，所有試驗(yàn)測點(diǎn)應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度。481.7.2反向平衡法蘭極限承載力試驗(yàn)GJ2試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析FL3節(jié)點(diǎn)法蘭段內(nèi)鋼管同一截面測點(diǎn)應(yīng)力FL3節(jié)點(diǎn)法蘭段外鋼管同一截面測點(diǎn)應(yīng)力T1在0.87倍設(shè)計(jì)荷載時應(yīng)力不再隨荷載增加而增加，T1附近T4的荷載-應(yīng)力曲線也出現(xiàn)了拐點(diǎn)，說明此時FL3節(jié)點(diǎn)受拉區(qū)最外邊的鋼管壁已經(jīng)不再是受壓頂緊狀態(tài)，但從外觀上鋼管壁仍然貼緊并無脫開跡象。0.87倍設(shè)計(jì)荷載已大于荷載標(biāo)準(zhǔn)值，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能原因是縮尺模型太小，預(yù)拉力施加不足。

491.7.3液壓張拉器研制規(guī)范背景1）《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.2.2條規(guī)定，高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力

所以用扭矩對高強(qiáng)螺栓施加預(yù)拉力使高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力值以及承載能力值降低2）扭矩、扭矩系數(shù)是手段，最終目的及檢驗(yàn)手段的標(biāo)準(zhǔn)仍為預(yù)拉力值的正確與否；3）目前施工驗(yàn)收規(guī)范對預(yù)拉力值的允許偏差較大；(如M30，

10.9級螺栓預(yù)拉力范圍為325~390kN，偏差為-8％~9.9％）4）目前施工驗(yàn)收規(guī)范對扭矩系數(shù)的允許相對誤差在

±15％左右。501.7.3液壓張拉器研制液壓張拉器的特點(diǎn)一、液壓張拉高強(qiáng)螺栓可以達(dá)到相當(dāng)大的預(yù)拉力。對于大直徑高強(qiáng)螺栓，與用扭矩扳手相比，明顯降低工人勞動強(qiáng)度。（如M30，10.9級，扭矩T=1.76kN?m）二、與不同的夾具配套使用，可解決緊固高強(qiáng)螺栓時工具本身的固定問題：

1.無加勁法蘭高強(qiáng)螺栓連接，加“”形支架固定張拉器；

2.有加勁肋法蘭高強(qiáng)螺栓連接，直接將拉力器壓在加勁板上；1.7.3液壓張拉器研制液壓張拉器的特點(diǎn)3.支架與螺桿的靈活多變。521.7.3液壓張拉器研制液壓張拉器的應(yīng)用范圍1）鍍鋅高強(qiáng)螺栓；

2）僅扭矩系數(shù)過期，其它性能符合標(biāo)準(zhǔn)的高強(qiáng)螺栓；

3）重復(fù)使用多次的高強(qiáng)螺栓；

4）剛接柱基施加預(yù)拉力的錨栓；

5）一般高強(qiáng)螺栓。531.7.4調(diào)兵山風(fēng)場試驗(yàn)塔筒實(shí)體安裝及現(xiàn)場實(shí)測實(shí)測目的測量反向平衡法蘭高強(qiáng)螺栓使用液壓張拉器后螺栓的應(yīng)力狀況，張拉操作中預(yù)拉力損失以及螺桿剪應(yīng)力大小及方向測量使用電動扭矩扳手或使用手動加力扳手時，螺栓達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)拉力值以及螺桿剪應(yīng)力大小及方向測量風(fēng)機(jī)發(fā)電200小時后風(fēng)機(jī)塔筒法蘭螺栓拉應(yīng)力變化狀況測量法蘭加勁板平衡面頂緊處應(yīng)力541.7.4調(diào)兵山風(fēng)場試驗(yàn)塔筒實(shí)體安裝及現(xiàn)場實(shí)測安裝階段實(shí)測551.7.4調(diào)兵山風(fēng)場試驗(yàn)塔筒實(shí)體安裝及現(xiàn)場實(shí)測安裝階段實(shí)測采點(diǎn)次數(shù)A-3C-1備注螺栓拉應(yīng)力MPa平衡面附近壓應(yīng)力1--8702278-225469.3-46.4-0.0992--9282507-241油壓500516.4-49.6-0.0963--9882715-291559.3-59.9-0.1074--10402780-278油壓570572.7-57.3-0.1005--10562928-267擰緊603.2-55.0-0.0916--9012390-223卸壓492.3-45.9-0.0937--15151892-201張拉松動螺栓后，扳手?jǐn)Q緊389.8-41.4-0.106預(yù)拉力損失14.0%預(yù)應(yīng)力損失后接近設(shè)計(jì)預(yù)拉力注：M30螺栓設(shè)計(jì)預(yù)拉力355kN對應(yīng)拉應(yīng)力為502MPa561.7.4調(diào)兵山風(fēng)場試驗(yàn)塔筒實(shí)體安裝及現(xiàn)場實(shí)測安裝階段實(shí)測采點(diǎn)次數(shù)螺栓拉應(yīng)力MPa平衡面附近壓應(yīng)力1469.3-46.4-0.0992516.4-49.6-0.0963559.3-59.9-0.1074572.7-57.3-0.1005603.2-55.0-0.0916492.3-45.9-0.0937389.8-41.4-0.106

實(shí)測時單側(cè)螺栓施加預(yù)緊力，平衡面附近壓應(yīng)力隨著螺栓拉應(yīng)力增大而增大，平衡面壓應(yīng)力約為測得螺栓拉力的0.1倍，與計(jì)算結(jié)果相符。571.7.4調(diào)兵山風(fēng)場試驗(yàn)塔筒實(shí)體安裝及現(xiàn)場實(shí)測安裝階段實(shí)測采點(diǎn)次數(shù)A-3C-1備注螺栓拉應(yīng)力MPa平衡面附近壓應(yīng)力7--15151892-201張拉松動螺栓后，扳手?jǐn)Q緊389.8-41.4-0.106

使用扳手?jǐn)Q緊，螺栓拉力為設(shè)計(jì)預(yù)拉力的0.78倍時，剪應(yīng)力為90MPa，是螺栓拉應(yīng)力(389.8MPa)的0.23倍，折算應(yīng)力是拉應(yīng)力(389.8MPa)的1.08倍。實(shí)測所得使用扳手?jǐn)Q緊對螺栓的扭轉(zhuǎn)不利作用與規(guī)范吻合。使用手動加力扳手(四人推動)螺栓拉應(yīng)力能達(dá)到389.8MPa，約為螺栓設(shè)計(jì)拉應(yīng)力502MPa的0.8倍。581.7.4調(diào)兵山風(fēng)場試驗(yàn)塔筒實(shí)體安裝及現(xiàn)場實(shí)測安裝階段實(shí)測采點(diǎn)次數(shù)備注螺栓剪應(yīng)力MPa螺栓拉應(yīng)力MPa1-4106651513油壓300-227-18.0311.7-0.0582-5708221970油壓400-244-19.3405.8-0.0483-7289962483油壓500-237-18.8511.5-0.0374-73310742533擰緊-348-27.6521.8-0.0535-6359412176卸壓-341-27.0448.3-0.0606-84112212875油壓570-408-32.3592.3-0.0557-85212102895擰緊-377-29.9596.4-0.0508-69910172428卸壓-305-24.2500.2-0.048預(yù)拉力損失12.4%預(yù)拉力損失15.5%預(yù)應(yīng)力損失后接近設(shè)計(jì)預(yù)拉力A-2螺栓591.7.4調(diào)兵山風(fēng)場試驗(yàn)塔筒實(shí)體安裝及現(xiàn)場實(shí)測安裝階段實(shí)測采點(diǎn)次數(shù)螺栓剪應(yīng)力MPa螺栓拉應(yīng)力MPa1-18.0311.7-0.0582-19.3405.8-0.0483-18.8511.5-0.0374-27.6521.8-0.0535-27.0448.3-0.0606-32.3592.3-0.0557-29.9596.4-0.0508-24.2500.2-0.048A-2螺栓

使用液壓張拉器張拉螺栓時，螺栓中剪應(yīng)力約為拉應(yīng)力的0.05倍，該剪應(yīng)力由螺桿與螺母之間的環(huán)向靜摩擦引起。螺栓剪應(yīng)力很小，基本處于單向受拉應(yīng)力狀態(tài)。601.7.4調(diào)兵山風(fēng)場試驗(yàn)塔筒實(shí)體安裝及現(xiàn)場實(shí)測安裝階段實(shí)測螺栓備注螺栓拉應(yīng)力(MPa)A-3油壓570572.7擰緊603.2卸壓492.3A-2油壓500511.5擰緊521.8卸壓448.3油壓570592.3擰緊596.4卸壓500.2預(yù)拉力損失12.4%預(yù)拉力損失15.5%預(yù)應(yīng)力損失后接近設(shè)計(jì)預(yù)拉力預(yù)拉力損失14.0%預(yù)應(yīng)力損失后接近設(shè)計(jì)預(yù)拉力

螺栓預(yù)拉力損失隨著張拉力的增大而增大。超張拉至500時，預(yù)拉力損失約為12.4%；超張拉至油壓570，預(yù)拉力損失約15%。611.7.4調(diào)兵山風(fēng)場試驗(yàn)塔筒實(shí)體安裝及現(xiàn)場實(shí)測發(fā)電200小時實(shí)測

風(fēng)機(jī)調(diào)試發(fā)電200小時后，于5月9~12日對調(diào)兵山風(fēng)力發(fā)電場65#、66#試驗(yàn)塔筒反向平衡法蘭螺栓檢測得到以下結(jié)果：①張拉器對螺栓張拉至325kN(設(shè)計(jì)預(yù)拉力355kN的0.91倍)時，梅花扳手均不能推動。說明所有螺栓的預(yù)拉力滿足《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范(GB50205-2001)》要求。附錄B緊固件連接工程檢驗(yàn)項(xiàng)目第B.0.4條表B.0.4螺栓預(yù)拉力值范圍(kN)螺栓規(guī)格(mm)M16M20M22M24M27M30預(yù)拉力值P10.9s99~113142~177175~215206~250265~324325~3908.8s62~78100~120125~150140~170185~225230~275②張拉器對螺栓張拉至設(shè)計(jì)預(yù)拉力355kN時，兩座試驗(yàn)塔筒反向平衡法蘭360個螺栓中有21個螺栓梅花扳手能推動(占全部螺栓的5.8%)。說明5.8%螺栓預(yù)拉力有所減小。621.7.4調(diào)兵山風(fēng)場試驗(yàn)塔筒實(shí)體安裝及現(xiàn)場實(shí)測發(fā)電200小時實(shí)測

檢測過程中對這21個預(yù)拉力不足的螺栓超張拉，螺母擰緊卸壓預(yù)拉力損失后螺栓預(yù)拉力為螺栓設(shè)計(jì)預(yù)拉力355kN。少數(shù)螺栓預(yù)拉力減小的可能原因是：這些螺栓在附近螺栓較松的情況下張拉至設(shè)計(jì)預(yù)拉力，而附近螺栓張拉至設(shè)計(jì)預(yù)拉力產(chǎn)生的壓縮變形使這些螺栓預(yù)拉力有一定減小。因此在螺栓張拉施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格按施工過程張拉到位，盡可能避免先張拉的螺栓在后張拉螺栓的作用下預(yù)拉力減小。631.7.5反向平衡法蘭疲勞試驗(yàn)試驗(yàn)?zāi)康钠诤奢d下，驗(yàn)證反向平衡法蘭連接的抗疲勞荷載作用性能641.7.5反向平衡法蘭疲勞試驗(yàn)GJ1說明——標(biāo)高36.92m～45.92m段1:2縮尺節(jié)點(diǎn)管壁外徑×厚度(mm)加勁板高度×厚度(mm)法蘭板寬度×厚度(mm)螺栓個數(shù)螺栓直徑螺栓預(yù)緊力(kN)鋼管面積比鋼管慣性矩比螺栓預(yù)緊力比縮尺模型FL21345×670×960×1272M1690111厚法蘭1328×6/61×2860M20155111實(shí)際構(gòu)件FL22690×12140×18120×2572M303554.016.03.94厚法蘭2690×12/