L形钢管混凝土组合异形柱梁节点性能分析及试验研究

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本文的研究背景为一种适用于高层钢结构住宅的钢管混凝土组合异形柱结构体系。钢管混凝土组合异形柱根据截面形状可分为L形,T形和十字形等。在高层钢结构住宅中,可以通过适当增加L形钢管混凝土组合异形柱(L-shaped column composed of concrete-filled steel tubes,简称L-CFST柱)的单肢柱宽度和柱肢之间的距离来满足竖向承载力和刚度的要求,相比直接在边柱和中柱采用T形柱和十字形柱,L-CFST柱用作角柱,边柱和中柱具有较为经济合理的截面形式。本文针对L-CFST柱梁连接节点开展系统研究,主要内容有:(1)为研究L-CFST柱梁节点的抗震性能,本文对7个足尺的L-CFST柱梁节点试件进行了梁端低周往复加载试验。对比研究了节点类型、轴压比、钢管内混凝土、竖向肋板高宽比及内伸长度等不同参数对节点抗震性能的影响。结果表明:角节点和边节点试件的破坏形态为竖向肋板端板的钢梁翼缘连接板开裂和钢梁翼缘的屈曲,中节点试件的破坏现象主要为扩翼缘式端板型连接一侧的端板以及钢梁翼缘连接板圆弧过渡位置的鼓曲和开裂;(2)为研究L-CFST柱梁节点核心区的抗剪承载力,本文对5个足尺的L-CFST柱梁节点试件进行了梁端低周往复加载试验。对比参数包括钢管内混凝土、竖向肋板面积及宽厚比、轴压比和节点类型。结果表明:竖向肋板的面积对节点核心区性能的发挥起着重要作用;在节点核心区外部发现了两种破坏模式,即竖向肋板或钢梁翼缘连接板的开裂破坏;边节点试件的节点核心区变形明显,对应的最大剪切变形达到0.05rad;同时,通过核心区的应变分布确定了角节点和边节点的核心区范围;(3)通过采用合理的材料本构模型,边界条件和加载方式,对上述12个试件进行了非线性数值模拟,并与试验结果进行对比,验证了非线性模型的可靠性。以此为基础,对节点的破坏过程进行了全过程受力分析,研究了节点的受力性能和破坏规律;(4)为了解决竖向肋板端部钢梁翼缘连接板的开裂问题,提出并比较了四种优化方法;为了解决竖向肋板在柱翼缘位置外侧易发生开裂的问题,对两种影响因素进行了对比分析。结果表明:采用加厚4mm的钢梁翼缘连接板及较小宽厚比的竖向肋板,可以降低甚至消除各自的断裂扩展风险;之后,对L-CFST柱梁中节点扩翼缘式端板型连接的峰值承载力进行了参数化分析,结果表明:钢梁翼缘连接板扩翼缘段长度、端板厚度和短板宽厚比的增加对承载力和刚度影响较大;最后,对钢管壁厚,短梁腹板宽度,短梁腹板厚度,钢管强度和混凝土强度对节点核心区抗剪承载力参数化分析发现,节点核心区抗剪承载力的增大与上述参数的增加直接相关;(5)基于“钢板框架屈服模型”和叠加原理,提出了节点核心区的抗剪承载力计算公式,所提公式与屈服和极限状态下的试验结果比值分别为0.84和0.94;基于屈服线理论,建立了扩翼缘式端板型连接的抗弯承载力计算公式,考虑了钢梁翼缘拉力扩散角和端板屈曲的影响,所提公式与屈服和极限状态下的试验结果比值分别为0.82和0.86;(6)总结和提出了L-CFST柱梁框架节点的抗震设计方法,包括“强柱弱梁”验算方法,L-CFST柱绕截面剪心产生的最大剪应力计算方法以及节点核心区和外部连接处抗剪和抗弯承载力验算方法,并给出了相关的节点抗震构造措施建议。
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