狗骨节点组合梁子结构抗竖向连续倒塌性能研究及改进设计

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狗骨节点在保持梁柱节点区原有构造不变的基础上,对远离柱翼缘表面一定距离的梁截面进行局部削弱,从而使塑性铰位置偏离节点区域,该节点具有较好的塑性转动能力,在地震作用下滞回曲线饱满。然而,当结构由于火灾、爆炸、冲击等偶然荷载导致承重柱失效时,节点主要承受从上部结构传递的竖向荷载,其受力状态与地震作用下相差较大。而目前采用该节点形式的实际工程较少,针对其抗连续倒塌性能的研究也大多以纯框架为主,并且缺乏节点参数对抗连续倒塌性能影响的系统研究。因此针对考虑组合楼板的影响,对狗骨节点组合梁子结构的抗连续倒塌能力展开深入研究具有重要的理论意义及工程实用价值。本文主要研究内容及结论如下:(1)采用有限元软件ABAQUS对两个现有的平面钢框架组合梁连续倒塌试件进行建模分析,并将数值模拟得到的承载力曲线、边柱侧移曲线和破坏形态与试验结果进行了对比,验证了有限元模拟方法的可靠性。(2)结合实际工程背景,建立一个足尺狗骨节点组合梁子结构,同时建立一个传统节点组合梁子结构作为对比,从破坏模式、承载力变化情况、常态柱侧移、断裂截面应力、梁柱连接处应变、抗力机制发展六个方面对狗骨节点倒塌破坏全过程进行系统研究。结果表明:狗骨节点的钢梁断裂位置出现在失效柱近端的削弱区中心,翼缘削弱区起到了“保险丝”的作用,而传统节点的钢梁断裂位置出现在梁柱连接处;裂缝从下翼缘沿截面向上延伸直至整个钢梁断裂的过程中,狗骨节点的承载位移相比传统节点增加了1.4倍,并且在钢梁完全断裂时,极限位移值明显提高,表现出相对良好的延性。(3)设计了23个狗骨节点组合梁子结构试件,并对其进行有限元建模分析,分别研究了削弱起始点与柱翼缘表面的距离、削弱区长度、削弱深度、配筋率及柱的失效位置五个参数对狗骨节点抗倒塌性能的影响,获得了影响规律。结果表明:当削弱起始点与柱翼缘表面的距离大于0.5倍梁翼缘宽度时,子结构极限位移及极限承载力基本一致;当削弱区长度取0.8倍梁高时子结构可以获得较为理想的抗连续倒塌能力;削弱深度对狗骨节点抗连续倒塌能力的影响大于另两个削弱参数,当削弱深度大于0.22倍梁翼缘宽度时,子结构在下翼缘断裂前并没有进入悬链线阶段;配筋率的增加提高了组合节点的极限承载力,但配筋率小于0.5%时承载力的提升可以忽略不计;相较于角柱失效,边柱及内柱失效时,至少存在一组对称的梁与节点相连,悬索机制的发挥使子结构的承载力远高于角柱失效。(4)提出一种在削弱区增加弧形侧板的改进方案,通过25个试件对侧板的参数取值进行了对比分析,结果表明:侧板面积与削弱面积的比值取0.25~0.67时,侧板可以有效提升子结构的极限承载力和极限位移,同时使钢梁的破坏位置不受影响,依然可以实现“强节点弱构件”的设计准则;当面积比值取0.67时,可以获得最优的加强效果。
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