“互”形节点钢框架力学性能的有限元分析

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近年来,国内外专家学者针对钢结构梁柱节点进行了大量的研究,发现带有悬臂梁段的梁柱节点在地震作用下具有较好的耗能能力。“互”形节点是一种新型的带悬臂梁段的钢结构梁柱节点,该节点可避免现场施焊,所有的焊缝均在工厂提前完成,现场仅需螺栓进行连接,且该梁柱连接方式有利于施工的定位安装,加快施工进度。目前针对钢结构抗震性能的研究大多局限于局部的钢结构节点,对于新型节点在钢框架中整体力学性能的研究较少提及。故本文从钢框架整体受力的角度,应用数值模拟软件ABAQUS对“互”形节点钢框架进行整体受力分析,对比分析在低周往复荷载作用下钢框架的滞回曲线、耗能能力及刚度退化等抗震性能指标。为探究“互”形节点钢框架的力学性能,本文首先设计了四种不同节点的钢框架模型(无悬臂梁段普通标准节点钢框架(OSF)、带悬臂梁段栓焊混合连接节点钢框架(OHF)、带悬臂梁段全螺栓连接节点钢框架(QSF)、“互”形节点钢框架(HXF)),并进行有限元加载分析,对比分析了四种不同节点形式下钢框架的滞回曲线、耗能能力及刚度退化等抗震性能指标。其次,本文对不同参数下(钢框架高跨比、翼缘拼接板厚度及P-Δ效应)的“互”形节点钢框架进行了有限元分析,对比了不同参数下“互”形节点钢框架的抗震性能指标。分析结果表明:(1)四种节点形式的钢框架承载能力相差不大,滞回曲线均较为饱满,其中“互”形节点钢框架的滞回曲线最为饱满,且其刚度退化速率较为缓慢,故“互”形节点钢框架具有优异的抗震性能。四种钢框架耗能能力排序为:“互”形节点钢框架、带悬臂梁段全螺栓连接钢框架最优,带悬臂梁段普通栓焊混合连接钢框架次之,无悬臂梁段普通标准节点钢框架最差。(2)在整个加载过程中,加载前期和中期钢框架的耗能靠钢材的变形和板件之间的滑动摩擦来实现,加载后期钢框架的耗能主要靠钢材的变形来实现。(3)当钢框架高跨比取值为0.471~0.660、翼缘拼接板厚度取值大于悬臂梁翼缘厚度2 mm时,“互”形节点钢框架具有更强的耗能能力,刚度退化更加缓慢,抗震性能更好。(4)对比不同的荷载工况,发现加大轴压比会削弱“互”形节点钢框架的抗震性能;另外,梁上荷载对“互”形节点钢框架的极限承载力和延性影响较大,在设计时不应忽略。最后,对“互”形节点钢框架提出两种节点改进方案,来缓解梁柱连接处应力过大的问题。有限元分析结果表明:在“互”形节点钢框架悬臂梁处设置加劲肋的优化方案能够在限制钢梁塑性变形、缓解梁柱连接处应力过大问题的同时,延缓钢框架柱脚处塑性变形的发展速率。
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