基于半刚性节点的打包箱式模块抗震性能研究

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2020年新型冠状病毒引起的肺炎疫情严重,全国各地开始建设集中治疗临时医院,作为装配程度更高的打包箱式模块,凭借其在运输与拆装等方面具有其独特优势,成为临时医院建设的一种主要形式。打包箱式模块不同于传统模块,其梁柱均为冷弯薄壁非对称的截面,且打包箱内立柱与顶底框连接处的节点为螺栓端板连接,相邻箱体采用螺栓端板和卡件连接,其节点呈明显半刚性,需要进一步研究节点半刚性对于整体性能影响,此外,为了探究打包箱式模块在我国抗震地区的合理应用,亟须研究打包箱式模块的抗震性能。本文首先针对双层足尺打包箱式模块,进行了拟静力试验研究。通过试验,得到箱体的滞回曲线、骨架曲线,分析箱体的延性、刚度退化、强度退化、耗能能力等指标,观察节点区域的受力状态,分析节点处的传力机制,探究打包箱在极限荷载作用下的破坏模式及抗震性能。结果表明,打包箱式模块破坏模式为立柱端、梁端发生屈曲,角件焊缝撕裂;试验中梁、立柱节点产生了明显张角,节点呈现半刚性;箱体延性系数在4.10左右,延性较好,滞回曲线捏缩明显,耗能能力较弱,其刚度和强度退化较为稳定。其次,建立打包箱式模块的有限元模型,将其破坏模式、位移荷载曲线与试验结果进行对比,验证有限元模型的准确性。根据位置、受力方向将打包箱的节点分成了内部连接节点和外部连接节点两大类。针对内部连接节点,结合有限元和理论推导,得到了内部节点的初始转动刚度以及八种打包箱式模块内部节点的半刚性系数,并讨论了角件开洞对于节点的影响;然后针对打包箱外部连接节点,讨论不同竖向荷载、角件厚度、梁柱线刚度比对于外部节点的承载力、破坏模式和刚度的影响,理论推导了外部节点的初始转动刚度,并且提出了箱体外部节点的简化模型;从节点刚度的角度提出了一种打包箱式模块整体模型的简化方法,并验证了简化方法的合理性。最后,基于内部、外部节点的半刚性,对打包箱式模块整体模型进行动力时程分析,各项结果均满足多遇地震和罕遇地震作用下规范要求,为打包箱式模块的设计和抗震区的推广提供了借鉴。
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