新型内套筒连接方钢管柱-H型钢梁装配式节点力学性能分析

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近年来,方钢管柱因其具有整体稳定性好、截面惯性矩大、施工便捷等特点,在钢框架结构体系中得到越来越广泛的运用。传统方钢管柱与H型钢梁的连接大多采用栓焊形式,由于焊接工艺及施工现场作业环境的影响,梁柱节点连接处焊缝质量难以保证,极易出现应力集中现象并发生脆性破坏,对梁柱节点整体力学性能产生较大影响。全螺栓连接梁柱装配式节点,具有施工便捷、质量控制方便等特点。因此,本文提出了一种新型内套筒连接方钢管柱与H型钢梁装配式节点形式,并对该全螺栓连接梁柱装配式节点的力学性能进行了系统研究,主要研究工作包括:(1)为充分发挥钢框架结构体系中梁柱连接节点的力学性能及其现场施工装配便捷性,结合国内外装配式连接节点的相关研究成果,构造设计了一种新型内套筒连接梁柱装配式节点。详细阐述了该节点有限元模型的建立方法,并采用此方法与其它的节点试验研究成果进行数值模拟对比分析,验证本文采用的ABAQUS有限元分析方法的适用性与可靠性。(2)开展了新型内套筒连接梁柱装配式节点静力性能数值模拟分析。通过在钢梁端施加单调位移荷载,研究了基准节点整体受力情况及各装配构件的应力分布和破坏模式,分析了八边形内套筒、槽型钢和加劲L型连接件在基准节点受力过程中承担的作用。考虑构件钢材强度、重要装配构件几何构造尺寸和钢梁翼缘圆弧削弱节点形式等三个不同方面因素,共建立了14个有限元分析模型,对新型节点进行了静力性能参数敏感性分析,研究了不同分析参数对新型节点延性、初始转动刚度、屈服荷载和极限抗弯承载能力的影响规律。(3)开展了新型内套筒连接梁柱装配式节点抗震性能数值模拟分析。通过在钢梁端施加低周循环位移荷载,研究了基准节点的应力分布发展情况及破坏模式,从滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、刚度退化等四个方面对新型节点进行抗震性能评价。对新型节点进行了抗震性能参数敏感性分析,研究钢材强度属性、八边形内套筒厚度、槽型钢厚度、加劲L型连接件厚度、方钢管柱壁厚度和钢梁翼缘圆弧削弱节点形式对新型节点滞回曲线、骨架曲线、能量耗散系数和等效粘滞阻尼系数等四个方面的抗震性能指标的影响规律。结果表明新型节点滞回曲线呈现“梭形”,滞回环面积较大且形状饱满,节点具有良好的耗能能力和刚度退化性能;结构参数对新型节点抗震性能均能产生一定影响,钢梁翼缘进行圆弧削弱可充分发挥节点力学性能而不造成初始刚度和承载能力的损失。(4)为评价新型节点在外荷载作用下是否具有良好的静力性能和抗震性能,对新型内套筒连接梁柱装配式节点进行了承载能力验算,包括H型钢梁承载能力的计算、梁柱节点域承载力的验算、强柱弱梁设计原则的验算、节点域连接螺栓承载力的验算四个方面。基于“组件法”思想和小变形叠加原理,建立了适用于本节点初始转动刚度的简化计算方法。通过理论计算值和有限元模拟值的对比分析,验证了此新型内套筒连接方钢管柱与H型钢梁装配式节点初始转动刚度简化计算公式的合理性和正确性。
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