钢桁腹式混凝土组合箱梁PBL节点的刚度研究及参数优化

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钢桁腹式混凝土组合箱梁的典型节点有钢盖箱节点、双套管节点和PBL节点,其中PBL节点是主要依靠PBL剪力键来抵抗水平剪力的新型节点。在荷载作用之下,混凝土弦杆所受轴力在此突变,致使PBL节点区产生轴力差,同时在钢管腹杆上分别产生压力和拉力,导致节点产生平动与转动变形等复杂变形,为了研究该类节点抵抗变形的能力,以某工程实例为背景,结合有限元模型,本文对以下几个方面展开了研究:(1)基于组件法,根据假定将钢桁腹式混凝土组合箱梁的PBL节点的各组成构件简化为不同的弹簧模型,通过力学分析,建立计算模型,利用卡式第二定理推导了弦杆、腹杆的变形,考虑开孔钢板与混凝土间的界面剪切力、混凝土隼以及螺栓的抗剪对初始平动刚度的影响,继而得出PBL节点的初始平动刚度计算表达式,并利用有限元模型进行验证,结果表明:卡式第二定理可以较为简单的计算弦杆、腹杆的变形;考虑开孔钢板与混凝土间的界面剪切力、混凝土隼以及螺栓的抗剪对初始平动刚度的影响,计算得到的PBL节点的平动刚度更接近实际状态;所推公式能较简单的计算出PBL节点的初始平动刚度,与有限元结果相比,误差在8%以内,且弹性范围内荷载越大,精度越高。(2)利用有限元模型研究了荷载对PBL节点初始平动刚度的影响,并对影响PBL节点初始平动刚度的各参数在弹性阶段内进行分析。结果表明:PBL节点的平动刚度随着轴力差的增大而逐渐减小,在弹性阶段内,随着荷载的增大,PBL节点的平动刚度变化幅度较小,当节点进入弹塑性阶段,平动刚度值变化较弹性阶段大,说明PBL节点抵抗平动的能力在弹性阶段较塑性阶段强。弹性阶段内,PBL节点的平动刚度随着混凝土的强度、腹杆的直径和壁厚、开孔钢板的开孔孔径和厚度、以及抗剪螺栓直径各参数的增加而增加,其中随着腹杆直径的增大而增加的幅度最大,且腹杆刚度在PBL节点初始平动刚度中的占比最大,约为76.33%,其显著性指标也最大,故PBL节点的平动位移的产生主要来自腹杆的变形,同时也说明抵抗节点平动最薄弱的部位为腹杆。其余组件对整体初始平动刚度的贡献大小依次开孔钢板>抗剪螺栓>PBL剪力键>混凝土弦杆。(3)利用组件法,根据假定将节点域内各构件简化为不同的弹簧模型,通过力学分析,推导了PBL节点的初始转动刚度计算式,并考虑抗拉螺栓以及抗压螺栓对初始转动刚度的贡献,对弹性阶段内影响PBL节点初始转动刚度的各参数进行了分析,结果表明:抗拉螺栓以及抗压螺栓对初始转动刚度的贡献均不可忽略,且抗拉螺栓对初始转动刚度的贡献更大。所推公式能较简单的计算出PBL节点的初始转动刚度,与有限元结果相比,误差在6%以内。弹性阶段内,PBL节点的转动刚度随着混凝土强度、开孔钢板的开孔孔径、开孔钢板厚度、抗拉抗压螺栓直径各参数的增加而增加,其中随着开孔钢板的增大而增加的幅度最大,且开孔钢板在节点整体的初始转动刚度中的占比最大,约为63.4%,故节点的转动位移的产生主要来自开孔钢板的变形。其余组件对整体初始转动刚度的贡献大小依次为(2)类抗拉螺栓>混凝土弦杆>(1)类抗剪螺栓>PBL剪力键。(2)类抗拉螺栓的显著性指标最大,说明其对节点整体初始转动刚度影响最大,对节点的初始转动抵抗最薄弱。建议增大该类螺栓的直径或改变其布置,以提高节点的初始转动刚度。(4)利用多因素正交分析法,对多目标下的最优参数组合进行了优化组合。结果表明:正交分析方法可以对设计参数作合理、有效的优化,利用极差可以快速判断设计参数的主次顺序,利用方差可以把影响因素和因素水平本身误差与计算误差引起的偏差分离,利用数理与概率统计中的F分布进行检验,可判断影响因素对计算结果的影响程度。在原设计的基础上,利用正交分析法可以将PBL节点初始平动刚度约提高25.02%,初始转动刚度提高24.98%。
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