專利名稱：鑄造結(jié)構(gòu)連接件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用在建筑領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)連接件和構(gòu)件。本發(fā)明特別涉及用在靜 態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)載荷場合的鑄造結(jié)構(gòu)連接件和構(gòu)件。
背景技術(shù)：
同心支撐框架以其簡單的設(shè)計、低廉的成本、容易構(gòu)造以及相對于其他 抵御橫向載荷的系統(tǒng)的卓越剛性，成為鋼結(jié)構(gòu)的抵御橫向載荷的系統(tǒng)的特別 受歡迎的選擇。支撐框架的對角支撐構(gòu)件主要承受軸向力，而在發(fā)生強烈地 震時，地震能量通過拉伸支撐構(gòu)件時的周期性屈服(cyclic yielding)以及壓 縮支撐構(gòu)件時的非彈性翹曲而耗散。常用支撐構(gòu)件包括拐角型材(angle )、 槽型型材(channel),寬凸緣(W)型材(wide flange (W) section),以及 矩形中空型材(rectangular hollow section)和圓形中空型材(circular hollow section )。
特別是中空結(jié)構(gòu)型材(HSS),以其承受壓縮載荷的有效性、改善的外 觀以及易于獲得的廣泛型材尺寸，而成為橫向支撐構(gòu)件的慣常選擇。此外， HSS廣泛應(yīng)用于地震場合來耗散能量。相對于矩形HSS而言，圓形HSS特 別具有改進(jìn)的性能，因為減小了殘余應(yīng)力集中。
中空結(jié)構(gòu)型材是承受軸向載荷的有效構(gòu)件，但是，它們的連接部通常笨 重并且造價昂貴，而且當(dāng)應(yīng)用在危急場合包括地震場合時，難于設(shè)計。與此 同時，設(shè)計和構(gòu)造建筑物時考慮地震載荷的這種需求也逐漸變得普遍。具體 來說，支撐件得到了更為普遍的應(yīng)用，并且這種支撐件要能在拉伸和壓縮時 承受周期性的非彈性載荷。
以前設(shè)計的連接件集中于住房或輕體建筑領(lǐng)域，提供"簡易快速"型的連接件，而并不特別適合地震情況下的支撐構(gòu)件。
例如，Tuell的美國專利申請公開No.2005/0163564描述了 一種帶有以板 材形成的互鎖連接件的建筑系統(tǒng)。雖然這種連接件允許靈活地組裝結(jié)構(gòu)，但 是在地震載荷時可能遭受不希望的連接失效。
鑄造是一種制造工藝，允許設(shè)計承載金屬元件時具有多功能性和幾何形 狀自由度，同時該金屬元件具有受控的維度和預(yù)定的性能特征。因此，使用 鑄造材料作為結(jié)構(gòu)元件是已知的。
例如，授予Beauvoir的美國專利6,059,482和6,474,902描述了 一種具有 堵頭的螺栓連接的連接件，用于連接在柱和梁之間。但是，這種現(xiàn)有技術(shù)的 連接件^f又設(shè)計為在梁和柱之間提供力矩連接(moment connection),而并不 是特別設(shè)計用于地震場合。具體來說，這種連接件的設(shè)計并不允許支撐構(gòu)件 受控屈服或者發(fā)揮其全部強度。
因此，具有優(yōu)勢的是提供一種用于支撐構(gòu)件的連接件，這種連接件可以 大規(guī)模質(zhì)量。此外，具有優(yōu)勢的是提供一種與不同尺寸和配置的支撐構(gòu)件相 適應(yīng)的連接件。而更進(jìn)一步，具有優(yōu)勢的是提供一種可以操作從而在地震情 況下發(fā)揮支撐構(gòu)件全部強度的連接件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了 一種用在結(jié)構(gòu)框架中的鑄造連接件。
在一個方面，本發(fā)明是一種用在結(jié)構(gòu)框架的支撐組件中的鑄造結(jié)構(gòu)連接 件，所述支撐組件包括支撐構(gòu)件諸如中空結(jié)構(gòu)型材(HSS)或?qū)捦咕?W) 型材，所述連接件包括第一端，其配置成容納所述支撐構(gòu)件并焊接到所述 支撐構(gòu)件；第二端，其適配地固定到所述結(jié)構(gòu)框架；和中間部分，其設(shè)置在 第一端和第二端之間，其中所述第一端包括坡口，該坡口使得能在第一端和 支撐構(gòu)件之間進(jìn)行完全焊縫熔透(complete joint penetration)的焊接。
結(jié)構(gòu)型材例如可以為HSS或W型材結(jié)構(gòu)構(gòu)件。在HSS情況下，第一端 的遠(yuǎn)端上的坡口尺寸等于或小于HSS內(nèi)側(cè)尺寸。在W型材的情況下，開坡 口的遠(yuǎn)端邊緣尺寸等于或小于W型材凸緣部分之間的尺寸。因此，根據(jù)這 一方面，坡口能讓連接件容納各種尺寸的結(jié)構(gòu)構(gòu)件并焊接到其上。坡口進(jìn)一 步使得能在第 一端和中空結(jié)構(gòu)型材之間進(jìn)行完全焊縫熔透的坡口焊接，從而在強烈地震的情況下，發(fā)揮中空結(jié)構(gòu)型材的全部軸向強度。
在另一方面，本發(fā)明的連接件可以直接連接到結(jié)構(gòu)框架，即借助螺栓或 焊接，或者經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造的端連接部，諸如例如角撐板。
雖然靜態(tài)場合當(dāng)然是可行的(對于柱、支撐件、桁架等)，但是本發(fā)明 的連接件特別優(yōu)良地適合在抵御地震載荷的支撐框架中實施。在這種支撐場 合中，中間部分主要傳輸軸向力，并在框架變形時傳遞伴生力矩。鑄造工藝 允許大批量生產(chǎn)這種可以操作以用于廣泛構(gòu)件尺寸范圍的連接件。根據(jù)中空 結(jié)構(gòu)型材或W型材構(gòu)件的幾何特征屬性，支撐件可以提供各種承載能力。 本發(fā)明進(jìn)一步的特征將在以下說明部分進(jìn)行說明，或從其中顯現(xiàn)。


參照附圖，并僅作為示例，以下提供了對優(yōu)選實施方式的詳細(xì)描述，其
中
圖1A、 1B、 1C和1D分別是本發(fā)明連接件的實施方式的俯視圖、側(cè)視 圖、端^L圖和立體圖2A和2B是側(cè)視圖，分別示出了連接件和較厚的中空結(jié)構(gòu)型材，以 及連接件和較薄的中空結(jié)構(gòu)型材；
圖3是連接件和支撐構(gòu)件的側(cè)視圖，描述了拋光并蝕刻后的完全焊縫熔 透的焊縫(weld)的》欠大截面顯孩i圖4A和4B分別是與支撐構(gòu)件和角撐板相結(jié)合的連接件的側(cè)視分解圖 和立體分解圖5A和5B分別是將支撐構(gòu)件連接到框架的連接件的側(cè)視圖和放大的 立體圖6是與卵形截面的支撐構(gòu)件一起使用的連接件的立體圖； 圖7是與矩形截面的支撐構(gòu)件一起使用的連接件的立體圖； 圖8A、 8B、 8C分別是具有彎曲塑性鉸接區(qū)域的連接件的側(cè)視圖、仰視 圖和立體圖9A和9B是與W型材支撐構(gòu)件一起使用的連接件的立體圖； 圖IOA是連接件和支撐構(gòu)件的俯視圖，圖IOB是連接件的側(cè)視圖； 圖11是薄壁和厚壁支撐件-連接件組件的拉伸-載荷形變曲線；圖12示出了連接件和焊縫因支撐構(gòu)件壓縮屈服而產(chǎn)生的模型應(yīng)力；和 圖13示出了連接件和焊縫因支撐構(gòu)件拉伸屈服而產(chǎn)生的模型應(yīng)力。 應(yīng)該清楚地認(rèn)識到，說明書和附圖僅用于說明目的，并協(xié)助進(jìn)行理解， 而并非用作對本發(fā)明范圍的限制。
具體實施例方式
本發(fā)明的連接件最好理解為軸向加載的支撐構(gòu)件(bracing member)和 直接連接到結(jié)構(gòu)框架或標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造的端連接部的螺栓連接或焊接連接部之間 的中間連接件，所述標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造的端連接部連接到所述結(jié)構(gòu)框架，所述標(biāo)準(zhǔn)構(gòu) 造的端連接部諸如為角撐板(gussetplate)。支撐構(gòu)件例如可以是HSS, HSS 通常在地震支撐場合下用作橫向支撐構(gòu)件。HSS可以具有各種尺寸和橫截面 形狀，包括圓形、矩形、方形、卵形或橢圓形等。支撐構(gòu)件還可以為W型 材構(gòu)件，以下有述。
連接件可以用在靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)或動態(tài)載荷場合，其中"動態(tài)場合"包括 疲勞、循環(huán)、地震、脈沖、爆炸和沖擊載荷。在結(jié)構(gòu)構(gòu)件諸如柱子、撐桿、 街架、空間構(gòu)架等軸向加載的情況下，連接件可以操作而用于在靜態(tài)場合提 供承載能力。連接件特別針對抵御地震的支撐場合，此時連接件在強烈地震 條件下發(fā)揮出支撐構(gòu)件的全部能力。"強烈地震條件"指的是拉伸屈服和非 彈性翹曲(buckling)的重復(fù)循環(huán)，包括支撐構(gòu)件達(dá)到較大非彈性應(yīng)變時預(yù) 計出現(xiàn)的強度增大(即，超強度)。
作為大規(guī)模定制的鑄鋼或其他鑄造金屬連接件而用于主要軸向加載的 構(gòu)件，本發(fā)明的連接件特別有用。鑄造工藝賦予了鑄鋼連接件設(shè)計以幾何自 由度，以使其配合在HSS支撐構(gòu)件和單塊角撐板(作為示例)之間，以發(fā) 揮支撐構(gòu)件的全部軸向強度。連接件本身可以構(gòu)型為適合具有任何給定外徑 的標(biāo)準(zhǔn)HSS型材(即，壁厚可變)，具有焊接到管件的預(yù)先合格的完全焊縫 熔透(CJP)的坡口焊縫。
這種連接部的優(yōu)勢不勝枚舉。首先，根據(jù)熟知的方法，只要選擇適當(dāng)?shù)?焊接電極以及遵循適當(dāng)?shù)暮附舆^程，則在HSS或W型材和連接件之間產(chǎn)生 的CJP坡口焊縫，對于這種結(jié)構(gòu)構(gòu)件中所預(yù)期的超強度范圍而言，要比支撐 構(gòu)件更堅固。此外，鑄件上的坡口邊緣允許各種厚度的支撐構(gòu)件使用相同的焊接規(guī)范。 一般說來，外徑約為100-500mm和壁厚約為3.2-16.0mm的HSS 適合地震場合。由于每個連接件可以配合一定范圍的型材尺寸，所以少量連
接件---種連接件用于 一種標(biāo)準(zhǔn)管件外徑一 一將覆蓋一定范圍的支撐件
選擇方案，因此一種或兩種連接件類型就可以用在所有建筑結(jié)構(gòu)中，并通過 改變支撐件的壁厚來實現(xiàn)適當(dāng)?shù)膶娱g剪切力。
本發(fā)明的鑄造連接件設(shè)計的額外優(yōu)勢在于，由于鑄造工藝適合大批量生 產(chǎn)，所以每個連接件的成本可以因重復(fù)而顯著降低，削減各別設(shè)計、細(xì)部設(shè) 計以及制造增強的構(gòu)造HSS-角撐連接部的成本。緊湊且流線形連接件的改 善的外觀也有利于其用在暴露構(gòu)架的鋼結(jié)構(gòu)場合。
連接件另一端直接連接到結(jié)構(gòu)框架或連接到與結(jié)構(gòu)框架相連接的一塊 或多塊角撐板，適合簡單地制造、構(gòu)建并現(xiàn)場安裝。此外，在連接件端部和 任何結(jié)構(gòu)元件之間留下間隙，確保了壓縮翹曲過程中形成在支撐件端部的彎 曲塑性鉸接區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)在角撐板上，而不會出現(xiàn)在支撐件上。
可以選擇的是，連接件可以包括與角撐板分開的塑性鉸接區(qū)域，允許在 壓縮支撐件翹曲過程中引發(fā)的彎曲塑性鉸接區(qū)域形成在鑄造連接件中，而不 是所連接的角撐板中，以下有述。
其中任何特別設(shè)計的載荷。鑄造連接件的一端可以設(shè)計為與任何常見標(biāo)準(zhǔn)構(gòu) 造的結(jié)構(gòu)連接部耦接，諸如耦接標(biāo)準(zhǔn)尺寸的角撐板，或者直接焊接到結(jié)構(gòu)框 架上，例如焊接到梁-柱交叉部或沿著桁架焊接。連接件的另一端設(shè)計成連 接一定范圍的尺寸不同的支撐構(gòu)件。對于HSS，連接件適應(yīng)外部幾何形狀給 定但壁厚可變的情況。對于W型材，連接件適應(yīng)腹板高度給定但凸緣和腹 板厚度可變的情況。這些特別特征允許大規(guī)模定制連接件。
如圖1A至圖1D所示，連接件10包括第一端12、中間部分14和第二 端16。利用第一端12進(jìn)行與結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接。
第一端12在其遠(yuǎn)端倒角或開坡口，以便其可以與厚度不同的相應(yīng)結(jié)構(gòu) 構(gòu)件18—起使用，從圖2A和圖2B可以最佳看出。在這種情況下，結(jié)構(gòu)構(gòu) 件為HSS支撐構(gòu)件。斜坡的角度a可以進(jìn)行選擇，以使坡口焊可以產(chǎn)生焊 接部分20,該焊接部分具有足夠的體積，以形成良好的焊縫，優(yōu)選為45到 60度。具體地說，第一端12上的坡口使得可以在第一端12和支撐構(gòu)件之間視線完全焊縫熔透的坡口焊接。完全焊縫熔透的坡口焊縫在強烈地震條件 下，能發(fā)揮給定支撐構(gòu)件的全部軸向能力。第一端12上的坡口也有利于與
支撐構(gòu)件對準(zhǔn)和對中。圖3示出了貫穿連接件和HSS168x9.5mm支撐構(gòu)件之 間的CJP坡口焊縫的經(jīng)拋光和化學(xué)蝕刻的截面。
本發(fā)明的一項優(yōu)勢在于，連接件10可以現(xiàn)場或非現(xiàn)場地連接到結(jié)構(gòu)構(gòu) 件18。 一般來說，不需要現(xiàn)場制作的焊縫是更好的焊縫，具有更可靠的屬性。
連接件IO具有第二端16，該第二端適配地螺栓連接到一個或多個標(biāo)準(zhǔn) 構(gòu)造的端連接部22，從圖4A、圖4B、圖5A和圖5B可以最好地看出。第 二端16可以具有多個孔24 (圖1A),它們適配地在連接到標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造的端連 接部22諸如角撐板的時候容納螺栓。端連接部22能讓支撐構(gòu)件18連接到 需要支撐的結(jié)構(gòu)框架26。
可以選擇的是，第二端16可以適配地焊接到一個或多個標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造的端 連接部，而且在這種情況下，不需要孔(未示出)。此外，第二端16可以適 配地直接焊接到結(jié)構(gòu)框架26,不論是直接焊接到梁柱交叉部、焊接到桁架還 是直接焊接到梁或柱等。
示出的中間部分14包括從第一端12到第二端16漸變的斜面或曲線， 改善了鑄造性，并允許力在支撐構(gòu)件18和端連接部22之間逐漸分散。
如圖5A所示，兩個鑄造連接件IO可以工廠焊接到支撐構(gòu)件18的端部， 允許將支撐件-連接件組件螺栓連接地安裝在建筑框架26中。在圖5B中， 示出了鑄造連接件連接到位于結(jié)構(gòu)框架的梁-柱交叉部內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造的端連 接部。
應(yīng)該理解，根據(jù)連接件10的特定的軸向承載能力需求和尺寸，第二端 16的構(gòu)造，即其厚度，以及連接到標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造的端連接部22時容納螺栓的孔 24的數(shù)目和取向，都變化很大。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，這種連接部可以與厚度不同的中空結(jié)構(gòu)型材 一起使用。此外，這種連接部允許支撐件的長度和角度方面存在安裝容許誤 差，而仍然連接到圓形、方形、矩形和橢圓形或卵形的中空型材，并且不需 要對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行仿形、開坡口或倒角。
例如，圖6示出的連接件28具有第一端30,用于連接到卵形HSS。圖 7示出的連接件32具有第一端34,用于連接到方形HSS支撐構(gòu)件。
ii如圖8A、圖8B和圖8C所示，連接件36的另一種實施例可以包括彎 曲塑性鉸接區(qū)域38，其與角撐板分開。這樣允許在支撐件壓縮性翹曲時，在 鑄造連接件36上形成彎曲塑性鉸鏈，而非在所連接的角撐板上形成，從而 在發(fā)生強烈地震的情況下，保護角撐板以及梁-柱交叉部。
參照圖9A和圖9B，本發(fā)明連接件的進(jìn)一步實施方式特別設(shè)計地與W 型材支撐構(gòu)件一起使用。在這種情況下，連接件具有對應(yīng)的W型材第一端 40,其適配地焊接到W型材支撐構(gòu)件42上。具體來說，端部40包括相對 的斜坡邊緣44，所述邊緣具有基本上V形凹槽46，用于容納支撐構(gòu)件42 的腹板部分48,而端部40進(jìn)一步包括腹板斜坡邊緣50，用于容納腹板部分 48。 V形凹槽46用來使第一端40與支撐構(gòu)件42對準(zhǔn)和對中。斜坡邊緣44 和50使得能在第一端40和支撐構(gòu)件42之間進(jìn)行完全焊縫熔透的焊接，用 于凸緣和腹板厚度變化的支撐構(gòu)件。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明的連接件可以用各種材料鑄造而成。 用鋼鑄造它們特別有用。而且，根據(jù)特定場合所需的屬性，可以用不同的合 金和不同類型的鋼進(jìn)行鑄造。
實施例
外徑為168mm的HSS支撐構(gòu)件被選作示例，與本發(fā)明的連接件一起使 用。HSS支撐構(gòu)件的外徑為168mm,但是壁厚不同。這種支撐構(gòu)件可以從 大多數(shù)鋼管制造商處獲得，因為這是一種常用管徑。此外，大多數(shù)可用的 168mm管的標(biāo)稱回轉(zhuǎn)半徑在常見支撐構(gòu)件長度的情況下提供的長徑比小于 200(對拉伸-壓縮支撐件的要求)。最后，168mm直徑管件的屈服能力(yield capacity )從約500kN到3000kN ( 125到675千磅(kip ))，取決于壁厚和鋼 材等級。這樣賦予了連接件的終端用戶為小高層建筑物的每一樓層提供適當(dāng) 級別的橫向強度的能力，同時指定相同的鑄造連接件。
鑄件的螺栓連接端設(shè)計成抵御壁厚最大的168mmCHS支撐構(gòu)件的最大 可能屈服強度，CHS 支撐構(gòu)件常見于北美HSS 168x13 CAN/CSA-G40.20/G40.21 Grade 350W和HSS 6.625x0.500 ASTM A500 Grade C。這是用12根直徑1英寸的ASTMA490螺栓連接到30mm的角撐板而視 線的。12根預(yù)張緊的高強度螺栓提供了足夠的防滑性(slip resistance)(呈 現(xiàn)噴拋清潔的接觸表面)，以承擔(dān)可用的最大168mmHSS的可能屈服強度。雖然在某些管理規(guī)定中并不專門要求摩擦型(slip-critical)連接(不像使用 預(yù)張緊的螺栓那樣)，但是在周期性加載的情況下，摩擦型連接性能更好， 并且優(yōu)選用于地震場合。此外，螺栓數(shù)目增加至超過滿足螺栓剪切設(shè)計所要 求的數(shù)字，確保了連接件在整個螺栓區(qū)域保持實質(zhì)上完全彈性。這樣能在地 震之后再次使用該連接件。在實踐中，連接件的終端使用者可以根據(jù)所連接 的管件的強度而指定螺栓數(shù)目。根據(jù)需要，終端使用者還可以選擇為了美觀 而切掉連接件過長的凸片。
在預(yù)定邊界條件范圍內(nèi)設(shè)計鑄件利用三維實體建模軟件來實現(xiàn)，同時考 慮通過連接件的力流，并牢記鑄造工藝的局限。
對于砂型鑄造、最常用于結(jié)構(gòu)工程尺寸部件的鋼鑄造工藝、以及用于制 造連接件原型的工藝來說，過渡幾何形狀要保持平滑，以確保鑄造質(zhì)量。此 外，鑄件的幾何形狀應(yīng)該便于定向凝固，從而減少對冒口以及其他專用且昂 貴的鑄造條件(casting considerations )的需求。
由于設(shè)計出能妥善鑄造的部件最為重要，所以一般需要反復(fù)進(jìn)行應(yīng)力設(shè) 計，隨后進(jìn)行鑄造車間分析(foundry analysis),由鑄造車間提供建議以改善 最終產(chǎn)品的固化性。對于本實例的鑄造連接件而言，鑄造車間建議將連接件 的質(zhì)量提高18%。
參照圖IOA和圖10B,實例連接件的尺寸如下
外徑=0= 168mm
長度-I^510mm
最大角撐板長度-L^330mm
間隙二g二31mm
凸片厚度4二23mm
凸片寬度W^282mm
在同心支撐的框架中，支撐構(gòu)件本身作為吸能元件。因此，根據(jù)能力設(shè) 計準(zhǔn)則(principles of capacity design),在支撐構(gòu)件拉伸屈服過程中、支撐件 翹曲過程中或支撐件由于總體或局部非彈性翹曲而在中跨或兩個支撐件端 部發(fā)生塑性鉸接過程中，鑄造連接件優(yōu)選保持彈性。在原型連接件的設(shè)計過 程中，利用有限元應(yīng)力分析建立連接件的彈性特性。
實體造型軟件包用于示例連接件的三維設(shè)計。將該模型發(fā)送給鑄造車間生產(chǎn)樣品(pattern),由此制作用于原型的砂型。為了進(jìn)行有限元應(yīng)力分析， 改動連接件模型，在336mm長(2倍直徑)的具有標(biāo)稱直徑和厚度的HSS 168x13支撐構(gòu)件和該鑄造連接件之間包括完全焊縫熔透的坡口焊縫。由于對 稱，所以僅需要對該組件的四分之一進(jìn)行有限元建模。部件的幾何形狀直接 導(dǎo)出到有限元分析軟件。利用更高等級(high order)的三維四面體實體單元 將實體主體網(wǎng)格化，使得每個單元由10個節(jié)點限定，每個節(jié)點具有3個自 由度。這些單元具有二次位移特性，最適合模擬彎曲或邊界不規(guī)則的實體主 體。在模型的三個面上需要對稱的邊界條件，以使所分析的有限元模型表示 完整的支撐件-連接件組件。由于連接件螺栓連接的角撐板防止鑄造連接件 的凸片向內(nèi)移動，所以"僅壓縮"邊界條件應(yīng)用于連接件凸片的內(nèi)側(cè)面。最 后，在25.5mm ( 1英寸)的寬度上，向直徑為27mm的螺栓孔的內(nèi)表面施 加位移，重現(xiàn)螺栓承載的效果。重要的是注意前述的邊界條件不允許支撐件 總體翹曲。但是，邊界條件允許實例中提供的圓形支撐構(gòu)件對稱地局部翹曲。 因此，對壓縮載荷進(jìn)行有限元分析時產(chǎn)生的應(yīng)力表示上界，撐桿總體翹曲過 程中，連接件將實際出現(xiàn)該上界。此外，由于假設(shè)鑄造材料線性應(yīng)變硬化， 計算出來超過鑄件屈服點的應(yīng)力和變形保守地較大。
通過向螺栓孔的支承面施加增量位移來進(jìn)行非線性分析。實際上，螺栓 預(yù)張緊導(dǎo)致載荷借助鑄件凸片和角撐板之間的分布式摩擦應(yīng)力進(jìn)行傳遞，但 是，這樣施加位移足以模擬連接件組件的靜態(tài)位移控制加載，并且也在螺栓 孔上產(chǎn)生了保守地較大的應(yīng)力集中。通過進(jìn)行較大的變形，顧及了非線性材 料特性以及幾何非線性，這樣也允許在加載過程中發(fā)生形狀改變。對于每個 單元的局部剛度矩陣公式使用了簡化積分。
有限元分析證實，在支撐組件加載時，在支撐構(gòu)件中局部發(fā)生非彈性變 形，直到支撐件的可能屈服強度，如圖11所示。此外，有限元應(yīng)力分析還 顯示，當(dāng)拉伸或壓縮變形應(yīng)用于連接件，導(dǎo)致產(chǎn)生對應(yīng)于設(shè)計屈服力ARyFy 的支撐力時，鑄件中的應(yīng)力一般低于鑄鋼的標(biāo)稱屈服應(yīng)力345MPa。應(yīng)力僅 在焊接區(qū)域超過345MPa，這在預(yù)料之中并且也可以接受，因為焊接金屬將 比有限元分析結(jié)果表現(xiàn)出更高的強度水平。管狀支撐件內(nèi)的應(yīng)力分布在距離 焊接連接部非常短的距離處是均勻的，顯示出不存在與常見焊接構(gòu)造的開槽 管件-角撐板連接部相關(guān)聯(lián)的剪滯情況。圖12A和圖12B示出了 HSS 168x13支撐件受到支撐以抵抗總體翹曲的 壓縮屈服從而在連接件和焊縫中產(chǎn)生的建模等效(von-Mises)應(yīng)力。圖13A 和圖13B示出了因HSS 168x13支撐件的拉伸屈服而在連接件和焊件中產(chǎn)生 的建模等效(von-Mises )應(yīng)力。
原型鑄鋼連接件利用生產(chǎn)為ASTM A958 Grade SC8620 Class 80/50的鋼 進(jìn)行制造。這種鑄造材料的化學(xué)成分類似于標(biāo)準(zhǔn)鍛鋼等級，并根據(jù)CSAW59 認(rèn)為是一種可焊接的基體金屬，只要該鑄件的硅含量不超過0.55% (重量) 即可。生產(chǎn)成這種規(guī)格的材料，在50mm情況下，最小屈服應(yīng)力為345MPa， 最小極限拉伸強度為550MPa,最小延伸率為22%，斷面縮減率為35%。指 定了另外的Charpy V-Notch (CVN)沖擊測試值要求為20°C (-4°F )時27 焦耳(20ft.lb ),以確保連接部在連接件與支撐件之間的焊接區(qū)域具有適當(dāng)?shù)?韌性。該值超過了對于耗能元件或焊接部件的一般韌性要求，但是更為接近 對于動態(tài)加載連接部所需的焊接填料材料的CVN要求。
對于焊接過程，可以準(zhǔn)備適當(dāng)?shù)囊?guī)則，用于從鋼背材一側(cè)進(jìn)行CJP坡口 焊，形成60度的V形或根部間隙為3mm的坡口接頭。
驗證構(gòu)思的實驗室測試包括連接件-支撐件組件的偽動態(tài)測試和靜態(tài)拉 伸測試以及鑄造連接件的破壞實驗。同心加載的支撐件-連接件組件的靜態(tài) 和偽動態(tài)測試結(jié)果表明，使用鑄鋼連接件是一種在地震場合連接管狀支撐構(gòu) 件的可行措施。實驗室測量與有限元結(jié)果之間的相關(guān)性用來驗證設(shè)計連接件 時進(jìn)行的有限元建模。
應(yīng)該理解，以上說明僅作為實例來說明本發(fā)明。本發(fā)明的許多變形對于 本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯然存在的，所以這些顯然的變形應(yīng)該落入本文所述 的發(fā)明構(gòu)思范圍內(nèi)，而無論是否對其進(jìn)行明確描述。
權(quán)利要求
1. 一種用在結(jié)構(gòu)框架的支撐組件中的鑄造結(jié)構(gòu)連接件，該支撐組件包括支撐構(gòu)件，所述連接件包括(a)第一端，其配置成容納所述支撐構(gòu)件并焊接到所述支撐構(gòu)件；(b)第二端，其適配地固定到所述結(jié)構(gòu)框架；和(c)中間部分，其設(shè)置在第一端和第二端之間，其特征在于，所述第一端包括坡口，該坡口使得能在第一端和支撐構(gòu)件之間進(jìn)行完全焊縫熔透的焊接。
2. 如權(quán)利要求1所述的連接件，其特征在于，所述支撐構(gòu)件為具有外 側(cè)尺寸和內(nèi)側(cè)尺寸的中空結(jié)構(gòu)型材，其中所述坡口設(shè)置在第一端的遠(yuǎn)端，且 該遠(yuǎn)端的尺寸小于或等于所述中空結(jié)構(gòu)型材的內(nèi)側(cè)尺寸。
3. 如權(quán)利要求2所述的連接件，其特征在于，所述中空結(jié)構(gòu)型材具有 基本上為圓形、矩形、方形、卵形或橢圓形的橫截面。
4. 如權(quán)利要求3所述的連接件，其特征在于，所述坡口配置成容納多 個內(nèi)側(cè)尺寸不同而外側(cè)尺寸基本上相等的不同中空結(jié)構(gòu)型材。
5. 如權(quán)利要求1所述的連接件，其特征在于，所述中間部分在第一端 和第二端之間傾斜。
6. 如權(quán)利要求1所述的連接件，其特征在于，所述中間部分包括彎曲 塑性鉸接區(qū)域。
7. 如權(quán)利要求1所述的連接件，其特征在于，所述第二端直接螺栓連 接或焊接到所述結(jié)構(gòu)框架。
8. 如權(quán)利要求1所述的連接件，其特征在于，所述第二端螺栓連接或 焊接到至少一個標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造的端連接部，所述標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造的端連接部連接到所述 結(jié)構(gòu)框架。
9. 如權(quán)利要求8所述的連接件，其特征在于，所述標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造的端連接 部是角撐板。
10. 如權(quán)利要求1所述的連接件，其特征在于，所述第二端包括多個在 其中鉆的孔，用于容納相應(yīng)的多根螺栓，且所述第二端可以操作以螺栓連接 到角撐板，所述角撐板連接到所述結(jié)構(gòu)框架。
11. 如權(quán)利要求1所述的連接件，用于靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)或動態(tài)場合。
12. 如權(quán)利要求1所述的連接件，其特征在于，所述完全焊縫熔透的焊 縫在強烈地震載荷的條件下，發(fā)揮支撐構(gòu)件的全部軸向強度。
13. 如權(quán)利要求1所述的連接件，其特征在于，所述支撐構(gòu)件為W型 材，其具有介于凸緣部分之間的尺寸，且所述坡口設(shè)置在第一端的遠(yuǎn)端邊緣， 所述遠(yuǎn)端邊緣對應(yīng)于W型材的端部，且所述遠(yuǎn)端邊緣的尺寸小于或等于所 述W型材的內(nèi)側(cè)尺寸。
14. 如權(quán)利要求13所述的連接件，其特征在于，所述遠(yuǎn)端邊緣包括凹 口，用于容納所述W型材的所述端部的腹板部分。
15. —種與中空結(jié)構(gòu)型材和結(jié)構(gòu)框架聯(lián)合使用的鑄造結(jié)構(gòu)連接件，所述 中空結(jié)構(gòu)型材具有外側(cè)尺寸和內(nèi)側(cè)尺寸，所述連接件包括(a) 第一端；(b) 第二端，其適配地連接到所述結(jié)構(gòu)框架；和(c) 中間部分，其特征在于，所述第一端包括具有遠(yuǎn)端的坡口，所述遠(yuǎn)端的尺寸等于或 小于所述中空結(jié)構(gòu)型材的內(nèi)側(cè)尺寸，且配置成容納所述中空結(jié)構(gòu)型材，所述 第一端適配地焊接到所述中空結(jié)構(gòu)型材。
16. 如權(quán)利要求15所述的連接件，其特征在于，所述坡口使得能在所 述第一端和所述中空結(jié)構(gòu)型材之間進(jìn)行完全焊縫熔透的焊接。
17. 如權(quán)利要求15所述的連接件，其特征在于，所述中空結(jié)構(gòu)型材、 所述連接件以及所述端連接部相結(jié)合，在所述結(jié)構(gòu)框架中用作支撐件。
18. 如權(quán)利要求15所述的連接件，其特征在于，所述中間部分包括彎 曲塑性鉸接區(qū)域。
19. 如權(quán)利要求15所述的連接件，其特征在于，所述第二端直接螺栓 連接或焊接到所述結(jié)構(gòu)框架。
20. 如權(quán)利要求15所述的連接件，其特征在于，所述第二端螺栓連接 或焊接到至少一個標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造的端連接部，所述標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造的端連接部連接到所 述結(jié)構(gòu)框架。
21. 如權(quán)利要求15所述的連接件，其特征在于，所述第二端包括多個 在其中鉆的孔，用于容納相應(yīng)的多根螺栓且所述第二端可以操作以螺栓連接到角撐板，所述角撐板連接到所述結(jié)構(gòu)框架。
22. —種與W型材和結(jié)構(gòu)框架聯(lián)合使用的鑄造結(jié)構(gòu)連接件，所述W型 材具有腹板部分和凸緣部分和介于凸緣部分之間的尺寸，所述連接件包括(a) 第一端；(b) 第二端，其適配地連接到所述結(jié)構(gòu)框架；和(c) 中間部分，其特征在于，所述第一端配置成容納所述W型材的端部，所述第一端 包括開坡口的遠(yuǎn)端邊緣，所述遠(yuǎn)端的尺寸等于或小于所述W型材的所述凸 緣部分之間的尺寸，所述第一端適配地焊接到所述W型材。
23. 如權(quán)利要求22所述的連接件，其特征在于，所述開坡口的遠(yuǎn)端邊 緣使得能在所述第一端和所述W型材的所述端部之間進(jìn)行完全焊縫熔透的 焊接。
24. 如權(quán)利要求22所述的連接件，其特征在于，所述開坡口的遠(yuǎn)端邊 緣包括凹口 ，用于容納所述W型材的所述端部的腹板部分。
25. —種用于結(jié)構(gòu)框架的結(jié)構(gòu)支撐組件，包括 (a)支撐構(gòu)件；和(b )鑄造連接件，該鑄造連接件包括(i) 第一端；(ii) 第二端，其適配地連接到所述結(jié)構(gòu)框架；和(iii) 中間部分，其設(shè)置在第一端和第二端之間， 其特征在于，所述第一端包括坡口裝置，用于容納所述支撐構(gòu)件，所述第一端用于焊接到所述支撐構(gòu)件。
26. 如權(quán)利要求25所述的支撐組件，其特征在于，所述坡口使得能在 所述第一端和所述支撐構(gòu)件之間進(jìn)行完全焊縫熔透的焊接。
27. 如權(quán)利要求25所述的支撐組件，其特征在于，所述支撐構(gòu)件是中 空結(jié)構(gòu)型材或W型材。
28. 如權(quán)利要求25所述的支撐組件，進(jìn)一步包括標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造的端連接部， 用于將所述支撐組件連接到所述結(jié)構(gòu)框架。
29. 如權(quán)利要求28所述的支撐組件，其特征在于，所述標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造的端 連接部是角撐板。
30. 如權(quán)利要求29所述的支撐組件，其特征在于，所述第二端焊接到 所述角撐板或借助螺栓來連接。
31. —種將支撐組件組裝到結(jié)構(gòu)框架的方法，所述結(jié)構(gòu)框架包括角撐板 端連接部，所述方法包括借助螺栓裝置將所述端連接部連接到鑄造結(jié)構(gòu)連 接件的第二端，所述鑄造連接件包括第一端和設(shè)置在第一端和第二端之間的 中間部分，其特征在于，所述第一端包括坡口裝置，其配置成容納中空結(jié)構(gòu) 型材，且所述鑄造連接件的所述第一端和所述中空結(jié)構(gòu)型材預(yù)先焊接，并且 所述坡口裝置使得能進(jìn)行完全焊縫熔透的焊接。
32. —種將支撐組件組裝到結(jié)構(gòu)框架的方法，所述結(jié)構(gòu)框架包括角撐板 端連接部，所述方法包括(a) 借助螺栓裝置將所述端連接部連接到鑄造連接件的第二端，所述 鑄造連接件包括第一端和設(shè)置在第一端和第二端之間的中間部分，和(b) 將所述第一端焊接到中空結(jié)構(gòu)型材；其特征在于，所述第一端包括坡口裝置，其配置成容納中空結(jié)構(gòu)型材， 并且所述坡口裝置使得能進(jìn)行完全焊縫熔透的焊接。
33. —種與支撐構(gòu)件和標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造的端連接部聯(lián)合使用的鑄造結(jié)構(gòu)連接 件，包括-.(a) 第一端；(b) 第二端，其具有將被固定到所述標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造的端連接部的裝置；和(c) 位于所述第一端和第二端之間的傾斜中間部分；其特征在于，所述第一端具有坡口裝置，以容納所述支撐構(gòu)件并焊接到 所述支撐構(gòu)件。
全文摘要
一種將結(jié)構(gòu)構(gòu)件諸如中空結(jié)構(gòu)型材(HSS)或?qū)捦咕?W)型材構(gòu)件連接到結(jié)構(gòu)框架的鑄造結(jié)構(gòu)連接件。所述連接件特別適合于橫向支撐，并包括配置成容納所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件并焊接到所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的第一端、用于連接到所述結(jié)構(gòu)框架的第二端和中間部分。所述第一端包括坡口，以允許適應(yīng)尺寸不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件并使得能進(jìn)行完全焊縫熔透的焊接，從而發(fā)揮所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的全部軸向強度。在框架變形時，例如在強烈地震情況下，所述中間部分用于傳遞力，并可以包括彎曲塑性鉸接區(qū)域。所述連接件可以焊接到所述結(jié)構(gòu)框架或借助標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造的端連接部諸如角撐板進(jìn)行連接。鑄造工藝允許大批量生產(chǎn)該連接件。
文檔編號E04B1/38GK101432490SQ200780015055
公開日2009年5月13日 申請日期2007年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月27日
發(fā)明者康斯坦丁·赫里斯托普洛斯, 杰弗里·艾倫·帕克, 胡安·卡洛斯·德奧利維羅 申請人:杰弗里·艾倫·帕克;康斯坦丁·赫里斯托普洛斯;胡安·卡洛斯·德奧利維羅