方鋼管柱H字鋼梁套管加強(qiáng)式端板連接節(jié)點抗震性能分析

將隔板內(nèi)連式和貫通式節(jié)點相結(jié)合并加以改進(jìn),提出了h型鋼梁-鋼管柱剛性連接的新型節(jié)點。該節(jié)點既克服了隔板貫通式節(jié)點下隔板寬度大于墻體影響室內(nèi)美觀與布置的缺點,又使梁下翼緣與柱的連接像上翼緣與柱的連接一樣得到有效加強(qiáng),適合在居住建筑中使用。對該節(jié)點的抗震性能進(jìn)行比較系統(tǒng)的分析研究,包括運用非線性有限元程序ansys,模擬低周反復(fù)加載試驗;制作多個足尺模型,進(jìn)行實際的低周反復(fù)加載試驗。結(jié)果表明該節(jié)點具有良好的延性和耗能能力,且塑性鉸都出現(xiàn)在加強(qiáng)段以外的梁上。通過兩種研究方法的比較,也可以看出有限元模擬試驗是研究新型節(jié)點連接性能的有效方法,在通常情況下,能用來代替實際試驗,以達(dá)到減少研究時間和研究費用的目的。

結(jié)合國內(nèi)首次將大規(guī)格冷彎矩形鋼管作為柱材應(yīng)用到實際工程中的浙江某輕紡市場的工程實例,對冷彎矩形鋼管結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究。利用有限元分析軟件,對冷彎矩形鋼管柱與h型鋼梁連接節(jié)點與焊接箱形鋼管柱與h型鋼梁連接節(jié)點的抗震性能進(jìn)行對比分析,探討出冷彎矩形鋼管的冷成型過程對節(jié)點抗震性能的影響。

方鋼管柱-h型鋼梁邊框內(nèi)填鋼板剪力墻是一種新型抗震剪力墻.為研究填充鋼板墻對鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能和受力性能的影響規(guī)律,該文進(jìn)行了兩層單跨方鋼管柱-h型鋼梁框架結(jié)構(gòu)和內(nèi)填帶豎縫薄鋼板框架剪力墻在單調(diào)加載和低周反復(fù)加載情況下的ansys數(shù)值模擬分析,研究對比分析了兩種框架結(jié)構(gòu)的承載能力、延性、耗能能力、破壞特征以及破壞機(jī)理。結(jié)果表明,鋼板墻使鋼框架的承載能力和初始剛度大幅度提高,同時也具有良好的抗震性能和耗能能力。

根據(jù)《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》推薦的節(jié)點形式,制作了兩類帶內(nèi)隔板的方鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點,即栓焊連接和全對焊連接。建立同時考慮大變形的幾何非線性、高強(qiáng)螺栓連接的面—面接觸非線性、材料非線性等三重非線性因素的有限元分析模型,通過低周反復(fù)加載有限元分析,研究兩類節(jié)點的抗震性能,并對兩類節(jié)點的滯回曲線、骨架曲線、節(jié)點延性及耗能指標(biāo)等進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明:栓焊連接節(jié)點由于螺栓的滑移致使節(jié)點的剛度較全對焊連接節(jié)點小,螺栓的滑移導(dǎo)致節(jié)點的屈服荷載較全對焊節(jié)點低,且全對焊節(jié)點與栓焊連接節(jié)點相比,承載力較大;兩類節(jié)點滯回曲線均比較飽滿,具有較好的耗能性能,由滯回曲線分析得出的耗能指標(biāo)均滿足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的要求,且全對焊連接節(jié)點的耗能能力大于栓焊連接節(jié)點的耗能能力,抗震性能優(yōu)于栓焊連接節(jié)點。為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。

方鋼管柱與H型鋼梁連接形式評述

方鋼管柱與H型鋼梁連接形式評述 (2)

對目前應(yīng)用與研究較多的幾類方矩形冷成型鋼管柱-h型鋼梁連接節(jié)點以及鑄鋼節(jié)點按構(gòu)造形式和受力機(jī)理進(jìn)行分類,并對各自的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行對比分析;概述鑄鋼節(jié)點的優(yōu)點和推廣的可能性。通過對這些節(jié)點形式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的比較分析,表明每種節(jié)點都有其固有的優(yōu)點和不足,尋找一種技術(shù)經(jīng)濟(jì)各方面性能都很優(yōu)異的節(jié)點形式是不現(xiàn)實的,在實際選擇和開發(fā)節(jié)點時要根據(jù)具體情況揚長避短,工程設(shè)計人員要根據(jù)節(jié)點所在結(jié)構(gòu)的受力特點選擇合適的節(jié)點形式。

為了研究多層鋼框架半剛性梁柱端板連接的抗震性能,利用大型有限元軟件ansys,在驗證有限元程序有效性的基礎(chǔ)上,考慮幾何非線性、材料非線性和狀態(tài)非線性對兩組不同構(gòu)造的端板連接進(jìn)行了單調(diào)和循環(huán)荷載作用下的有限元計算,分析了端板高度、螺栓排列、螺栓直徑等因素對梁柱節(jié)點滯回性能的影響及節(jié)點承載力、初始轉(zhuǎn)動剛度、極限轉(zhuǎn)動能力、耗能能力和延性的影響。有限元計算結(jié)果表明,設(shè)計合理的兩端外伸式半剛性端板連接具有良好的延性和耗能能力,可以應(yīng)用于多層抗震鋼框架中。

為了研究地震作用下方鋼管混凝土柱-鋼梁角鋼連接節(jié)點的受力性能,設(shè)計了3個梁柱節(jié)點試件并對其進(jìn)行低周往復(fù)循環(huán)荷載試驗,分析了角鋼短肢長肢比和角鋼厚度對試件的剛度、承載力、耗能能力、延性性能及節(jié)點域剪切變形的影響。試驗結(jié)果表明:角鋼連接的塑性鉸出現(xiàn)在角鋼與柱壁相接觸部位,往復(fù)荷載下最終破壞形態(tài)為角鋼與柱壁焊接部位出現(xiàn)角鋼撕裂現(xiàn)象,通過增加角鋼短肢長肢比和增加角鋼厚度可以將塑性鉸外移,使角鋼與柱壁相接觸部位的撕裂程度減輕,從而有效保護(hù)節(jié)點核心區(qū)。增加角鋼的厚度對節(jié)點的初始剛度及承載力影響明顯,隨著角鋼厚度的增加,節(jié)點的初始剛度和承載力隨之增加;增加角鋼短肢長肢比能夠提高節(jié)點的耗能能力和剛度。該節(jié)點具有較高的承載力、剛度及較大的變形能力,符合抗震設(shè)計理念。

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方管柱和h型鋼梁采用隔板貫通式連接而成的鋼框架成為多高層建筑的結(jié)構(gòu)體系的一種良好的選擇,在我國還沒有設(shè)計準(zhǔn)則可循。為了促進(jìn)方管柱-h型鋼梁隔板貫通式節(jié)點的應(yīng)用,在試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了有限元數(shù)值分析,對比隔板貫通節(jié)點與柱貫通節(jié)點的異同點,并分析了隔板挑出長度和軸壓比對節(jié)點承載力的影響,提出改進(jìn)方向。

通過4個1/2比例的鋼管混凝土分叉柱與鋼梁連接節(jié)點的擬靜力試驗,對其滯回性能、剛度退化、延性性能、耗能能力以及破壞特征進(jìn)行了研究與分析,并與纖維桿元模型模擬的結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明:節(jié)點在梁端塑性鉸破壞模式下鋼管混凝土樹狀節(jié)點的抗震性能較好;在局部焊接破壞模式下延性較低,抗震性能相對較差;鋼管分叉柱長寬比較大時,設(shè)置縱向隔板能更好地保證節(jié)點區(qū)域的穩(wěn)定性。

研究梁通柱斷式方鋼管混凝土中節(jié)點在低周反復(fù)荷載作用下的受力性能和抗震性能.該種節(jié)點在節(jié)點區(qū)中斷柱的外鋼管,使鋼筋混凝土梁的縱筋在節(jié)點直通.在節(jié)點區(qū)設(shè)置芯鋼管、密排箍筋、豎向短筋連系上下鋼管混凝土柱.通過2個縮尺模型試件的擬靜力試驗,得到節(jié)點試件的破壞過程、破壞形態(tài)、試件滯回曲線和試件各組成部分的荷載-應(yīng)變關(guān)系.試驗結(jié)果表明:該種節(jié)點在低周反復(fù)荷載作用下性能良好.試件破壞發(fā)生在梁根部,節(jié)點區(qū)尚有較大承載潛力,試件的耗能性能、位移延性良好.軸壓比的增大對于承載力有提高作用,但耗能能力和位移延性有降低趨勢.

高頻焊接矩形管生產(chǎn)效率高,抗扭性能好,平面外剛度大,根據(jù)需要內(nèi)部可充填混凝土以提高抵抗局部屈曲的能力,比焊接h型鋼的輕鋼廠房有更好的經(jīng)濟(jì)性。為提高梁柱連接節(jié)點的承載力、減小節(jié)點變形,需在節(jié)點區(qū)外包槽鋼。本文分析了節(jié)點區(qū)不同厚度、不同形式外包槽鋼和不同的柱內(nèi)加勁肋設(shè)置等對節(jié)點強(qiáng)度和剛度的影響,得出了滿足剛性連接要求的節(jié)點區(qū)外包槽鋼厚度計算公式。研究了柱加勁肋、螺栓排列、螺栓數(shù)目、槽鋼寬度和槽鋼下伸長度等的影響。建議了箱形柱柱頂與梁上翼緣齊平,槽鋼與梁端板等厚,槽鋼向上伸出長度以滿足安裝一排高強(qiáng)螺栓的要求,并設(shè)置三角形加勁肋與柱頂蓋板和槽鋼焊接,箱形柱頂和槽鋼內(nèi)面滿焊的節(jié)點形式。分析表明這種節(jié)點有很高的剛度和強(qiáng)度,能滿足剛性連接的要求。

倒槽鋼可便捷地連接管截面和實腹截面,本文論述了鋼管柱與鋼梁倒槽鋼連接節(jié)點的彎矩-轉(zhuǎn)角特性的數(shù)值分析結(jié)果。本文通過建立恰當(dāng)?shù)挠邢拊Ｐ?探討了不同節(jié)點構(gòu)造對節(jié)點彎矩-轉(zhuǎn)角特性的影響,所研究的節(jié)點參數(shù)包括柱截面形式、梁端節(jié)點類型、倒槽鋼的方向和高度等。有限元分析的結(jié)果表明:(1)連接圓鋼管的節(jié)點要比連接方鋼管的節(jié)點具有更高的強(qiáng)度與剛度;(2)倒槽鋼的高度越高,節(jié)點的剛度和強(qiáng)度越低;(3)與柱子焊接時,倒槽鋼的翼緣與梁的翼緣平行會比二者相垂直的方式具有高得多的剛度與強(qiáng)度;(4)如梁端采用平端板,圓鋼管柱與鋼梁的倒槽鋼連接節(jié)點具有足夠的剛度和強(qiáng)度,可將其視為半剛性節(jié)點及部分強(qiáng)度節(jié)點,并在半連續(xù)節(jié)點設(shè)計中應(yīng)用。

焊接方鋼管由4塊l型的薄鋼板電弧焊而成。當(dāng)被用于cfst柱的時候,在混凝土中心位置和鋼管內(nèi)設(shè)置加勁肋防止局部屈曲。由于鋼管約束混凝土,提高了結(jié)構(gòu)承載力。介紹了如何制作焊接組合方鋼管柱,并計算焊接組合方鋼管和cfst柱的結(jié)構(gòu)承載力。制作了15個采用不同鋼管形式(焊接組合方鋼管和一般鋼管)、不同寬厚比(b/t=50,58,67)和不同混凝土強(qiáng)度(fck=10,40mpa)的足尺試件用于試驗,以確定焊接組合方鋼管柱的拼接效能和結(jié)構(gòu)優(yōu)越性。

目的分析鋼框架高跨比、框架梁的高度、框架梁截面寬度、框架柱截面寬厚比等對框架抗側(cè)移剛度的影響.方法采用正交試驗設(shè)計方法設(shè)計16個正交試驗?zāi)Ｐ?利用有限元分析軟件ansys對16個正交試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行有限元分析,對鋼框架中的方鋼管柱用相同用鋼量的h型鋼柱代替模擬.結(jié)果框架的抗側(cè)移剛度主要取決因素依次是框架柱截面寬厚比、框架梁截面高度、框架梁跨度、框架梁截面寬度.結(jié)論設(shè)計鋼框架時抗側(cè)移剛度主要考慮因素是框架柱截面形式、截面寬厚比,其次是框架梁截面高度、框架梁跨度,而框架梁截面寬度影響很小可以不予考慮.

為了研究方鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點在不同影響因素下的抗震性能,基于現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范,以再生骨料取代率、粘結(jié)滑移、混凝土等級為設(shè)計變化參數(shù),設(shè)計并制作了4根節(jié)點模型并進(jìn)行了擬靜力試驗。詳細(xì)觀察了破壞過程,得到了實測滯回曲線。基于試驗數(shù)據(jù),詳細(xì)分析了各設(shè)計變化參數(shù)對節(jié)點承載力、剛度、位移延性系數(shù)及耗能能力的影響程度。研究結(jié)果表明,各變化參數(shù)下的節(jié)點模型在破壞形態(tài)上都表現(xiàn)一致,均表現(xiàn)出鋼梁翼緣的斷裂破壞;不同再生骨料取代率對節(jié)點抗震性能影響不大;粘結(jié)滑移有否對節(jié)點抗震性能影響極小;混凝土等級越高,節(jié)點承載能力隨之變大,但變形能力變差。研究成果可為方鋼管再生混凝土柱-鋼梁結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用提供理論參考。

垂直加勁肋節(jié)點適于柱截面較小的方鋼管(矩形管)柱和h型鋼梁節(jié)點。因此,采用有限元方法,以垂直加勁肋長度和高度為主要參數(shù),對垂直加勁肋節(jié)點的承載力、剛度、應(yīng)力分布和破壞模式進(jìn)行了分析。研究表明:垂直加勁肋節(jié)點承載力、彈性剛度較大;垂直加勁肋長度對節(jié)點承載力和剛度都有貢獻(xiàn);加勁肋高度只對節(jié)點剛度有影響。最后提出了加勁肋設(shè)計公式,供工程參考。

基于現(xiàn)行規(guī)范,設(shè)計制作方鋼管混凝土-鋼梁組合框架中間層中柱節(jié)點(╋)、中間層邊柱節(jié)點(┣)、頂層邊柱節(jié)點(┏)三種模型,并進(jìn)行低周反復(fù)荷載作用下的抗震性能試驗。結(jié)果表明:節(jié)點在鋼梁翼緣與側(cè)板連接角隅處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象;在相同材料和截面尺寸條件下,頂層邊柱節(jié)點比中間層中柱節(jié)點和中間層邊柱節(jié)點提前達(dá)到屈服,其極限承載力介于后兩者之間;三種節(jié)點滯回曲線均比較飽滿,具有良好的耗能能力,節(jié)點延性均較好。利用abaqus建立有限元模型,對試件在低周反復(fù)荷載作用下的受力性能進(jìn)行非線性有限元分析,分析結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。在此基礎(chǔ)上,分析軸壓比對節(jié)點承載力的影響。

通過對6個鋼管混凝土柱-鋼梁全螺栓連接節(jié)點及1個栓焊節(jié)點的低周反復(fù)加載試驗,研究了全螺栓連接節(jié)點的破壞模式、承載力以及延性性能。試驗表明：當(dāng)試件的彈塑性層間位移角達(dá)到規(guī)范限值的2.15-3.02倍時,全螺栓連接試件僅在連接板件遠(yuǎn)端處鋼梁翼緣上出現(xiàn)較小的鼓曲變形,變形幅度遠(yuǎn)小于栓焊節(jié)點;全螺栓連接節(jié)點具有更大的塑性變形能力、更大的峰值荷載和更長的屈服平臺,能夠滿足抗震規(guī)范位移限值要求。試驗指出,全螺栓連接節(jié)點的各組件在地震作用下都能發(fā)揮耗能作用,耗能機(jī)制包括連接板和鋼梁翼緣間的摩擦耗能、栓桿與孔壁擠壓耗能、連接板下的鋼梁翼緣塑性變形耗能以及連接板遠(yuǎn)端處鋼梁塑性耗能等。全螺栓連接試件的滯回曲線包括相對平直段和上升段,分別對應(yīng)連接板與鋼梁翼緣的滑動摩擦階段和螺栓孔與螺桿的接觸擠壓階段。試件經(jīng)過多級位移循環(huán)加載后,摩擦力衰減明顯,約為屈服荷載的50%;每級位移加載后期,由于螺栓桿與孔壁產(chǎn)生接觸作用,試件的承載力相比摩擦滑移階段明顯增大,并且隨位移加載幅值的增大而增大,峰值荷載可達(dá)到屈服荷載的2-3倍。

對三個穿芯螺栓—端板連接節(jié)點進(jìn)行了偽靜力試驗研究,研究了不同軸壓比時節(jié)點的滯回性能、強(qiáng)度和剛度退化、延性、耗能性能及破壞特征。結(jié)果表明,試件的層間位移延性系數(shù)為2.38~2.45,彈性及彈塑性層間位移角分別為0.0140~0.0158rad、0.0341~0.0377rad,能量耗散系數(shù)為2.567~3.820。所有節(jié)點試件均為梁端形成塑性鉸而破壞,節(jié)點具有較好的強(qiáng)度、剛度、延性和耗能能力。提出了相關(guān)的設(shè)計及研究建議。