矩形钢管柱与H型钢梁单边螺栓连接节点力学性能研究

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钢结构体系因具有自重轻、强度高、抗震性能好、建筑造型美观、施工周期短、功能空间布置灵活、绿色环保可回收等优点而得到广泛推广。在钢框架结构中多采用矩形钢管柱和H型钢梁,其中梁柱连接节点至关重要,直接影响着结构的承载力和抗震性能。现有的矩形钢管柱与H型钢梁连接多采用焊接连接,此类节点强度高、刚度大,但在强震作用下易发生脆性断裂破坏,采用装配式螺栓连接节点抗震性能较好,但现有的螺栓连接节点构造较复杂、安装精度要求较高,单边高强螺栓作为一种新型紧固件,可有效应用于矩形钢管柱与H型钢梁的装配式连接中。本文通过试验研究和有限元分析相结合的方法,研究了国产单边高强螺栓(STUCK-BOM)的力学性能和矩形钢管柱与H型钢梁外伸端板单边螺栓连接节点的力学性能。(1)设计制作了3个单边高强螺栓T型件连接节点和2个常规高强螺栓T型件连接节点,进行单向静力加载试验,研究了单边高强螺栓的破坏模式及抗拉极限承载力,对比了单边高强螺栓与常规高强螺栓力学性能的差异,分析了T型件翼缘板尺寸效应对单边高强螺栓受力性能及T型件节点力学性能的影响。研究表明,单边高强螺栓破坏模式与常规高强螺栓不同,单边高强螺栓因其外套管分肢挤压弯折变形导致螺栓被拔出而破坏失效;单边高强螺栓的抗拉极限承载力与常规高强螺栓基本相同;相较于常规高强螺栓T型件节点,单边高强螺栓T型件节点的抗拉承载力和初始刚度与其基本相同,而塑性变形能力较弱;单边高强螺栓的边距和栓距对单边高强螺栓的抗拉极限承载力影响较小,栓距对T型件节点的抗拉承载力影响较小,而边距对T型件节点的抗拉承载力有一定影响。(2)设计制作了5个单边高强螺栓连接节点试件和1个常规高强螺栓连接节点试件,进行了拟静力加载试验,研究了矩形钢管柱与H型钢梁单边螺栓连接节点破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能、刚度退化等抗震性能指标;对比了单边高强螺栓与常规高强螺栓连接节点抗震性能的差异性;分析了节点构造参数对单边高强螺栓连接节点抗震性能的影响;根据节点滞回特性和单边高强螺栓受力特点提出了节点恢复力模型。研究结果表明:(1)节点试件的破坏模式中单边高强螺栓均产生“滑移”现象。(2)节点试件的滞回曲线“捏缩”严重,滞回曲线呈“反S型”且有明显滑移直线段。(3)节点试件初始转动刚度约为常规高强螺栓连接节点的70%,单边高强螺栓滑移使节点具有很大的转动变形能力,节点试件的极限转角为0.060.08rad。(4)节点的抗弯承载力与常规高强螺栓连接节点基本一致,单边高强螺栓能够满足节点承载力设计要求。(5)节点试件的等效粘滞阻尼系数e?=0.150.17,等效耗能系数E=1.291.77,延性系数?=1.812.26,其耗能和延性性能均低于常规高强螺栓连接节点。(6)通过设置端板加劲肋可有效提高节点试件的抗震性能,设置内隔板对节点试件的抗震性能提高效果不明显。(7)提出的节点恢复力计算模型与节点试件的试验曲线吻合较好。(3)采用ABAQUS有限元分析软件建立节点试件的有限元模型,通过将单边高强螺栓复杂的构造和接触问题进行适当的简化,建立单边高强螺栓有限元模型。通过有限元模拟,研究了矩形钢管柱与H型钢梁外伸端板单边螺栓连接节点在单调静力荷载作用下的抗弯性能。研究结果表明:(1)节点有限元模拟结果中,单边高强螺栓及节点的破坏模式、节点的抗弯承载力、节点的初始转动刚度等与试验结果取得较好的一致性,交叉验证了试验及有限元模拟结果的准确性。(2)矩形钢管柱与H型钢梁外伸端板单边螺栓连接节点表现出半刚性特性,为典型的半刚性连接节点。
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