含防屈曲角钢的损伤可控钢框架梁节点抗震性能与设计方法

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中大震作用下,基于延性设计的传统钢框架梁柱节点往往在梁柱主体结构形成严重的塑性损伤,震后难以修复。基于损伤可控和塑性铰外移的思路设计的可更换节点能够有效解决上述问题,节点在震后更换耗能组件即可恢复正常使用功能,契合推动装配式结构发展和建设韧性城市的理念,具有较高的研究价值。本文提出了一种含防屈曲角钢的损伤可控钢框架梁节点,梁在距柱壁一定距离处切开形成断口,断口两侧梁段上翼缘通过抗剪连接件连接,下翼缘通过两根防屈曲角钢耗能组件连接,与建筑使用功能协调;节点传力机制明确,具有稳定的承载和耗能能力,能够实现损伤控制,震后可恢复性良好。本文采用理论分析、试验和有限元研究结合的方法,研究含防屈曲角钢的损伤可控钢框架梁节点的抗震性能与设计方法,主要研究内容及结论如下:(1)在第二章中,提出含防屈曲角钢的损伤可控钢框架梁节点构造,分析了节点的传力机制和工作原理;针对课题组前期发现的抗剪连接件与楼板存在较强约束效应的问题,提出了对抗剪连接件进行无粘结处理的措施;建立了节点的断口弯矩-转角本构,推导了节点层间位移角、断口转角、防屈曲角钢轴向变形之间的关系;基于损伤控制、弹性阶段等刚度、强度保证的原则,提出了节点的两阶段抗震设计方法。(2)在第三章中,以有/无楼板、抗剪连接件处理方式、断口屈服弯矩作为变化参数,设计了4个足尺损伤可控节点,包括1个纯钢节点和3个带楼板节点。对4个节点进行了低周往复加载试验和低周疲劳试验,并对3个带楼板节点更换防屈曲角钢后进行二次加载。分析了节点的失效模式、损伤情况、承载耗能和楼板效应,节点实现等刚不等强,梁柱主体保持弹性,损伤集中在防屈曲角钢上;经无粘结处理的节点楼板开裂明显减小,楼板效应得到有效缓解;带楼板节点更换耗能单元后,性能恢复至对应纯钢节点水平,震后可恢复性良好。(3)在第四章中,开展了损伤可控节点的有限元参数分析。在验证建模有效性的基础上,首先对节点进行了构造优化;基于优化的节点,在第二章理论分析的基础上,以梁高、断口位置、防屈曲角钢屈服段长度、节点抗侧刚度比作为变化参数,分析了各参数对等刚度设计防屈曲角钢面积需求的影响;有限元结果表明节点均实现了弹性阶段等刚度和损伤控制,断口弯矩-转角关系、节点变形关系与理论预测吻合良好,说明理论公式具有良好的普适性,验证了损伤可控节点的设计方法。
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