抗拔不抗剪连接钢-混凝土组合框架结构受力性能研究

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抗拔不抗剪连接件(Uplift-restricted and slip-permitted connector:简称URSP连接件)是在保证抗拔能力的前提下,释放钢-混凝土组合梁沿梁纵向或任意方向上的组合作用,从而提高组合梁性能的一种新型连接方式。将该连接件应用于钢-混凝土组合结构建筑中可以有效降低楼面板混凝土的拉应力,延缓楼面板混凝土裂缝的开展,提升组合梁的抗裂性能。本文围绕布置抗拔不抗剪连接件的组合框架的受力性能,从子结构和框架体系层面开展了试验研究和数值模拟分析,取得的成果如下:(1)完成了三个具有不同剪力连接件布置方案的组合框架试验,包括全跨布置普通栓钉、半跨布置抗拔不抗剪连接件和全跨布置抗拔不抗剪连接件,首次进行了抗拔不抗剪连接组合框架竖向堆载和水平低周往复加载试验。研究揭示了布置抗拔不抗剪连接件的组合框架的开裂机理、承载能力、破坏形态与失效模式等,对比了三种不同连接件布置方案对组合框架受力性能的影响规律。结果表明,应用抗拔不抗剪连接件后,由于在框架梁端释放了组合作用,可以提升框架组合梁中混凝土翼板的抗裂性能,降低混凝土板拉应力,减小裂缝宽度,缩小开裂区域。同时,布置抗拔不抗剪连接件几乎不影响结构在水平荷载下的极限承载力,仍然保留了组合框架结构的性能优势。(2)在试验研究的基础上,采用通用有限元软件MSC.MARC(r2015),建立了考虑复杂界面行为的抗拔不抗剪连接组合框架实体-壳精细有限元模型。数值计算结果与试验量测结果吻合较好,建模方法可用于后续对抗拔不抗剪连接组合框架受力性能开展数值模拟分析。(3)基于所提出的有限元模型,以梁柱组合节点子结构为研究对象,对竖向力及水平力作用下的抗拔不抗剪连接组合框架结构性能进行了一系列关键影响因素分析。结果表明,抗拔不抗剪连接件布置长度是最重要的影响因素,相比栓钉连接件,布置抗拔不抗剪连接件后,结构侧向刚度和承载力几乎不变,而竖向刚度有所降低。针对开裂荷载的提高和刚度的降低提出了开裂荷载放大系数RF和刚度减小系数RI这两个关键设计参数,并给出了基于抗拔不抗剪连接布置长度的简化计算公式。最后从承载力、刚度和布置方案三个方面给出了应用抗拔不抗剪连接件的组合框架设计建议。(4)建立了布置抗拔不抗剪连接件的组合框架体系的梁-壳高效计算模型,并开展了竖向荷载作用分析和地震动力弹塑性时程分析。对比了采用不同连接件的结构体系的自振频率、楼板应力、竖向挠度和抗震性能指标,为设计提供了指导。分析表明,部分布置抗拔不抗剪连接件的组合框架结构体系在地震荷载作用下的顶层位移响应、层间位移响应和塑性铰分布与传统布置栓钉结构的结果差别很小,抗拔不抗剪连接件的应用在提升结构抗裂性能的同时,并不影响抗震设计的指标限值。
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