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(dòng)態(tài)載荷場(chǎng)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(jiǎn)單的設(shè)計(jì)、低廉的成本、容易構(gòu)造以及相對(duì)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(duì)角支撐構(gòu)件主要承受軸向力，而在發(fā)生強(qiáng)烈地 震時(shí)，地震能量通過拉伸支撐構(gòu)件時(shí)的周期性屈服(cyclic yielding)以及壓 縮支撐構(gòu)件時(shí)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(chǎng)合來(lái)耗散能量。相對(duì)于矩形HSS而言，圓形HSS特 別具有改進(jìn)的性能，因?yàn)闇p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(jià)昂貴，而且當(dāng)應(yīng)用在危急場(chǎng)合包括地震場(chǎng)合時(shí)，難于設(shè)計(jì)。與此 同時(shí)，設(shè)計(jì)和構(gòu)造建筑物時(shí)考慮地震載荷的這種需求也逐漸變得普遍。具體 來(lái)說(shuō)，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(shí) 承受周期性的非彈性載荷。
以前設(shè)計(jì)的連接件集中于住房或輕體建筑領(lǐng)域，提供"簡(jiǎn)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(guó)專利申請(qǐng)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(shí)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(jì)承載金屬元件時(shí)具有多功能性和幾何形 狀自由度，同時(shí)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(guó)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(jì)為在梁和柱之間提供力矩連接(moment connection),而并不 是特別設(shè)計(jì)用于地震場(chǎng)合。具體來(lái)說(shuō)，這種連接件的設(shè)計(jì)并不允許支撐構(gòu)件 受控屈服或者發(fā)揮其全部強(qiáng)度。
因此，具有優(yōu)勢(shì)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(shì)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(shì)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(qiáng)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(gè)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(qiáng)烈地震的情況下，發(fā)揮中空結(jié)構(gòu)型材的全部軸向強(qiáng)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(chǎng)合當(dāng)然是可行的(對(duì)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(shí)施。在這種支撐場(chǎng) 合中，中間部分主要傳輸軸向力，并在框架變形時(shí)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(shuō)明部分進(jìn)行說(shuō)明，或從其中顯現(xiàn)。


參照附圖，并僅作為示例，以下提供了對(duì)優(yōu)選實(shí)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(shí)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(shí)到，說(shuō)明書和附圖僅用于說(shuō)明目的，并協(xié)助進(jìn)行理解， 而并非用作對(duì)本發(fā)明范圍的限制。
具體實(shí)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(chǎng)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(dòng)態(tài)載荷場(chǎng)合，其中"動(dòng)態(tài)場(chǎng)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(chǎng)合提 供承載能力。連接件特別針對(duì)抵御地震的支撐場(chǎng)合，此時(shí)連接件在強(qiáng)烈地震 條件下發(fā)揮出支撐構(gòu)件的全部能力。"強(qiáng)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(shí)預(yù) 計(jì)出現(xiàn)的強(qiáng)度增大(即，超強(qiáng)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(jì)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(qiáng)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(shì)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(duì)于這種結(jié)構(gòu)構(gòu)件中所預(yù)期的超強(qiáng)度范圍而言，要比支撐 構(gòu)件更堅(jiān)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(shuō)來(lái)，外徑約為100-500mm和壁厚約為3.2-16.0mm的HSS 適合地震場(chǎng)合。由于每個(gè)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(lái)實(shí)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(jì)的額外優(yōu)勢(shì)在于，由于鑄造工藝適合大批量生 產(chǎn)，所以每個(gè)連接件的成本可以因重復(fù)而顯著降低，削減各別設(shè)計(jì)、細(xì)部設(shè) 計(jì)以及制造增強(qiáng)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(chǎng)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(jiǎn)單地制造、構(gòu)建并現(xiàn)場(chǎng)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(huì)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(jì)的載荷。鑄造連接件的一端可以設(shè)計(jì)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(jì)成連 接一定范圍的尺寸不同的支撐構(gòu)件。對(duì)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(duì)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(shuō)，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(qiáng)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(duì)準(zhǔn)和對(duì)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(xiàng)優(yōu)勢(shì)在于，連接件10可以現(xiàn)場(chǎng)或非現(xiàn)場(chǎng)地連接到結(jié)構(gòu)構(gòu) 件18。 一般來(lái)說(shuō)，不需要現(xiàn)場(chǎng)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(gè)或多個(gè)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(gè)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(shí)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(gè)或多個(gè)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(gè)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?jī)?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(shí)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(huì)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(zhǎng)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(duì)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(shí)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(shí)，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(qiáng)烈地震的情況下，保護(hù)角撐板以及梁-柱交叉部。
參照?qǐng)D9A和圖9B，本發(fā)明連接件的進(jìn)一步實(shí)施方式特別設(shè)計(jì)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(duì)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(lái)說(shuō)，端部40包括相對(duì) 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(lái)使第一端40與支撐構(gòu)件42對(duì)準(zhǔn)和對(duì)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(chǎng)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(shí)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?yàn)檫@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(zhǎng)度的情況下提供的長(zhǎng)徑比小于 200(對(duì)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(jí)。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(jí)別的橫向強(qiáng)度的能力，同時(shí)指定相同的鑄造連接件。
鑄件的螺栓連接端設(shè)計(jì)成抵御壁厚最大的168mmCHS支撐構(gòu)件的最大 可能屈服強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(chǎng)合。此外，螺栓數(shù)目增加至超過滿足螺栓剪切設(shè)計(jì)所要 求的數(shù)字，確保了連接件在整個(gè)螺栓區(qū)域保持實(shí)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(shí)踐中，連接件的終端使用者可以根據(jù)所連接 的管件的強(qiáng)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(zhǎng)的凸片。
在預(yù)定邊界條件范圍內(nèi)設(shè)計(jì)鑄件利用三維實(shí)體建模軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)考 慮通過連接件的力流，并牢記鑄造工藝的局限。
對(duì)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(lái)說(shuō)，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(duì)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(jì)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(jì)，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(duì)于本實(shí)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?qǐng)DIOA和圖10B,實(shí)例連接件的尺寸如下
外徑=0= 168mm
長(zhǎng)度-I^510mm
最大角撐板長(zhǎng)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(jì)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(gè)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(jì)過 程中，利用有限元應(yīng)力分析建立連接件的彈性特性。
實(shí)體造型軟件包用于示例連接件的三維設(shè)計(jì)。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(dòng)連接件模型，在336mm長(zhǎng)(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(duì) 稱，所以僅需要對(duì)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(jí)(high order)的三維四面體實(shí)體單元 將實(shí)體主體網(wǎng)格化，使得每個(gè)單元由10個(gè)節(jié)點(diǎn)限定，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)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(shí)體主 體。在模型的三個(gè)面上需要對(duì)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(dòng)，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(shí)例中提供的圓形支撐構(gòu)件對(duì)稱地局部翹曲。 因此，對(duì)壓縮載荷進(jìn)行有限元分析時(shí)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(shí)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(jì)算出來(lái)超過鑄件屈服點(diǎn)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(lái)進(jìn)行非線性分析。實(shí)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(duì)于每個(gè) 單元的局部剛度矩陣公式使用了簡(jiǎn)化積分。
有限元分析證實(shí)，在支撐組件加載時(shí)，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(qiáng)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(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)屈服力ARyFy 的支撐力時(shí)，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?yàn)楹附咏饘賹?比有限元分析結(jié)果表現(xiàn)出更高的強(qiáng)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(jí)，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(qiáng)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(cè)試值要求為20°C (-4°F )時(shí)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(duì)于耗能元件或焊接部件的一般韌性要求，但是更為接近 對(duì)于動(dòng)態(tài)加載連接部所需的焊接填料材料的CVN要求。
對(duì)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(yàn)證構(gòu)思的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試包括連接件-支撐件組件的偽動(dòng)態(tài)測(cè)試和靜態(tài)拉 伸測(cè)試以及鑄造連接件的破壞實(shí)驗(yàn)。同心加載的支撐件-連接件組件的靜態(tài) 和偽動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果表明，使用鑄鋼連接件是一種在地震場(chǎng)合連接管狀支撐構(gòu) 件的可行措施。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量與有限元結(jié)果之間的相關(guān)性用來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)連接件 時(shí)進(jìn)行的有限元建模。
應(yīng)該理解，以上說(shuō)明僅作為實(shí)例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明。本發(fā)明的許多變形對(duì)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(wú)論是否對(duì)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(gè)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(gè)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(gè)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(dòng)態(tài)場(chǎng)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(qiáng)烈地震載荷的條件下，發(fā)揮支撐構(gòu)件的全部軸向強(qiáng)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(duì)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(gè)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(gè) 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(lái)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(qiáng)度。在框架變形時(shí)，例如在強(qiáng)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(hào)E04B1/38GK101432490SQ200780015055
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)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(qǐng)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