圆钢管约束型钢混凝土柱-H钢梁外加强环式T型节点抗震性能有限元分析

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圆钢管约束型钢混凝土柱不同于传统的钢管混凝土柱,其外包钢管在节点区断开,钢管不直接承担外部荷载,钢管与混凝土之间主要存在横向作用,使得混凝土处于三向受压应力状态,提高了混凝土的强度进而提高了构件的承载力。但目前,国内外关于此方面的研究尤其是梁柱节点性能研究还比较缺乏。本文基于课题组已有的研究成果,采用有限元软件建立了一个圆钢管约束型钢混凝土柱-钢梁节点及传统对照节点的有限元模型,对两类节点的抗震性能进行了研究;在此基础上,对新型节点进行了变参数分析;最后,基于有限元分析结果进行了节点恢复力模型研究。本文主要的研究成果如下:(1)对ABAQUS软件在圆钢管约束型钢混凝土柱-钢梁节点数值模拟中的关键问题进行了研究,包括材料本构的确定、有限单元的选取、网格划分原则、相互作用和接触问题以及荷载边界条件等。选取圆钢管约束型钢混凝土短柱及圆钢管混凝土柱-钢梁外环板式端节点的试验结果,进行了ABAQUS建模分析,从荷载-纵向应变、滞回曲线、破坏模式与试验结果进行对比分析,验证了有限元建模的可靠性,有限元模型为后文钢管约束型钢混凝土柱-钢梁节点的变参数分析创造了条件。(2)基于有限元模型验证的基础上,设计两类节点(J-1节点和D-1节点),对新型的圆钢管约束型钢混凝土柱-钢梁节点(J-1节点)及传统的钢管约束型钢混凝土节点(D-1节点)进行了数值模拟,包括两类节点的破坏模式、滞回性能及耗能特性等进行了对比分析,指出新型节点较传统的节点在承载力、滞回性能及地震耗能等方面更有优势。(3)为了更好地研究新型节点的抗震性能,在数值分析的基础上进行了变参数化分析,分析参数包括轴压比、混凝土强度、环板的尺寸、节点区域钢管厚度等。研究成果如下:1)轴压比对节点的滞回曲线影响不明显,轴压比较小时,滞回曲线相对比较饱满,随着轴压比的增大,滞回曲线的稳定性会变差,强度和刚度退化的速度会加快,节点的初始刚度和极限承载力也会降低。2)混凝土强度等级的增大对节点抗弯承载力的影响有限,其仅对初始刚度有略微增大的趋势,但为了保证混凝土与钢管之间良好的粘结性能,混凝土强度建议不小于C40。3)随着环板宽度的增加,节点的抗弯承载力和初始刚度都有相应的增大,但整体增长的幅度不是特别明显,且节点抗弯承载力的变化趋势较初始刚度的变化明显。总的来说,环板宽度越大,其对节点的约束会越牢固,会使得节点的变形减小,但其对节点抗震性能的贡献是有限的。4)随着节点域钢管厚度的变化,节点的初始刚度及极限承载力均发生了变化,而承载力的变化较初始刚度的表现更明显。另外,随着钢管厚度的增大,这种增长效应会逐渐淡化而趋于统一。(4)基于数值模拟结果并结合现有恢复力模型的研究成果,提出圆钢管约束型钢混凝土柱-钢梁节点的恢复力模型,该模型为考虑刚度退化的三折线型模型。同时给出了骨架曲线各阶段的刚度表达式、正反向卸载刚度退化规律以及具体的加卸载滞回规则。研究成果为后续更深入的研究提供了理论支撑。
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