外端板加强式方钢管混凝土柱-钢梁焊接节点抗震性能试验研究

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梁柱节点是框架体系中的核心区域,承担着结构受力时传递剪力、弯矩的作用,但是目前节点类型不够丰富,满足不了实际工程的需要;同时,为解决传统穿芯螺栓-加劲端板连接节点在地震荷载作用下易出现螺栓松弛甚至断裂发生脆性破坏的缺陷,本文提出了一种全焊接节点形式,即外端板加强式方钢管混凝土柱-钢梁焊接节点,该节点不仅具有较好的抗震性能,而且整个构造没有设置螺栓,构造简单美观。本文采用试验和数值模拟相结合的方法探究新型节点的抗震性能。本文主要研究内容如下:(1)本文共设计了2种节点3个试件,1个为传统的穿芯螺栓-加劲端板梁柱节点,作为新型节点的对比试件,另外2个为外端板加强式方钢管混凝土柱-钢梁焊接节点:1个为梁未加强式焊接节点,另外一个1个为梁加强式焊接节点,以对比该新型节点在不同梁柱线刚度比时的抗震性能。(2)对3个试件进行低周往复荷载试验,分析了节点的破坏过程和破坏特征,结果表明:各试件滞回曲线均较为饱满且呈明显的梭型,表现出较好的延性、耗能能力。对于焊接节点,当节点梁柱线刚度比为0.28时,其破坏形态与穿芯螺栓-加劲端板节点一致,为典型的塑性铰破坏模式,满足抗震设计要求,但是传统穿芯螺栓-加劲端板节点的塑性铰区域变形较为严重且高强螺栓出现了松弛现象,而焊接节点有效的解决了这一问题;当节点梁柱线刚度为0.41时,节点极限承载力显著增加,但降低了节点的延性且节点核心区焊缝发生了开裂,不满足抗震设计要求,因此需控制新型节点的梁柱线刚度比,且需确保焊缝尺寸、强度及焊接工艺满足相关要求,使钢梁发生塑性铰破坏先于节点核心区焊缝开裂。(3)本文基于试验数据,采用试验拟合法建立了适用于新型节点带有刚度退化的三折线恢复力模型,其中滞回曲线刚度退化规律均符合对数函数关系,分析结果表明本文建立的恢复力模型较为可靠,为研究新型节点抗震性能奠定基础。(4)利用有限元软件ABAQUS对新型节点及传统穿芯螺栓-加劲端板节点进行数值模拟分析,验证了有限元模拟比较贴切实际。在此基础之上,改变节点的主要参数以研究其影响规律,主要参数有混凝土强度、轴压比、钢梁腹板厚度、外端板厚度和加劲肋。数值模拟结果表明:混凝土强度对节点的抗震性能几乎没有影响;由于P-?效应,增大轴压比大大降低了节点的承载力与延性;增大钢梁腹板的厚度,节点的承载力显著提高;外端板的厚度在一定范围内变化对节点抗震性能影响不明显;加劲肋的存在,使钢梁塑性铰区域向变截面处偏移,钢梁从脆性破坏转变为延性破坏,极大的提高了结构的安全性。
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