新型方钢管混凝土柱—钢梁节点性能研究及抗震设计对策

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方钢管混凝土结构以其优越的力学性能、经济性、建筑适用性在工程中得到了越来越广泛的应用。本文针对方钢管混凝土梁柱内隔板式节点应用中存在的问题,提出了穿芯高强螺栓-端板(THB)、隔板单边贯通柱壁板(STI)、节点域设置锚固T形件(横置或竖置)(A系列)、隔板单边不焊设置圆柱头栓钉(S系列)等节点形式。对8组共24个节点试件进行了低周反复荷载作用下的柱端加载伪静力试验研究。采用试验方法研究了各种节点的滞回性能、破坏模式、强度及刚度退化等力学性能。初步分析了A系列、S系列及COM系列节点的受力和破坏机理。试验结果表明:穿芯高强螺栓-端板节点(THB)和内隔板单边贯通柱壁节点(STI)具有很好的延性和抗震性能。节点试件破坏时梁端形成明显的塑性铰。A系列试件破坏时,节点域形成了混凝土“冲切锥体”,节点耗能能力介于钢筋混凝土节点与型钢混凝土节点之间。S系列试件由于圆柱头栓钉连接焊缝的过早断裂而破坏,影响了节点的耗能能力、强度、刚度等力学性能,大多数S系列节点峰值荷载时的等效粘滞阻尼系数与型钢混凝土节点接近。提出了A系列节点和STI节点的改进节点形式。采用非线性有限元程序ANSYS 10.0在考虑几何非线性、材料非线性及面-面接触非线性等三重非线性因素的基础上,采用三维实体单元建立了STI试验节点、SSTI节点及THB试验节点的有限元模型,较为精确地深入分析了三种不同构造节点域各组成部分的受力状态、传力机理和节点的滞回性能。其中对于THB节点域各组成部分深入的受力机理分析尚属首次。并将STI节点和THB节点的理论计算结果和试验结果进行了比较,二者吻合较好。采用非线性有限元程序在考虑三重非线性因素的基础上系统地分析了轴压比、混凝土强度、穿芯高强螺栓预拉力、端板厚度及其加劲肋等因素对THB节点滞回性能的影响。分析了混凝土强度、轴压比对SSTI节点滞回性能的影响。参考相关的研究成果,并结合对SSTI和THB节点域传力机理的精确有限元分析,建立了两种节点的抗剪承载力计算模型,提出了两种不同节点形式节点域混凝土“斜压短柱”的承载力计算公式,并在此基础上提出了节点域总的抗剪承载力计算公式。将本文建议公式计算结果和已有试验结果及《矩形钢管混凝土结构技术规程》公式进行了比较。结果表明,本文公式与试验结果及《规程》结果吻合较好。本文提出的节点域抗剪承载力计算模型力学概念清楚,传力机理明确。本文的试验和理论分析结果,可供设计、相关研究参考;提出的节点域极限抗剪承载力公式在进一步试验验证基础上可用于工程设计。
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