一种可更换弧形板栓接自复位梁柱节点及其抗震性能研究

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装配钢结构作为一种新兴的绿色建筑结构,具有构件标准化设计、工业化生产以及全装配化安装的特点,是建筑工业化发展的新趋势。装配式节点作为结构的主要的连接构造,其在地震作用下产生损伤变形将影响结构整体稳定甚至造成结构倒塌,危及人身安全。本文基于“损伤控制+震后更换+模块化装配”的设计理念,提出了一种新型可更换弧形板栓接自复位梁柱节点,并对其静力性能进行研究。通过有限元模拟和循环往复荷载试验的方法,不仅分析了新型自复位节点相较于传统连接节点的性能差异,而且研究了不同初始预应力、弧形连接板厚度、连接板构造形式等参数对新型节点承载力、刚度退化、应力应变分布和能量耗散等特性的影响。通过研究取得如下成果:(1)提出了一种可模块化预制的、塑性损伤可控制的、弧形连接板可更换的以及可模块化装配的新型自复位梁柱节点。详细介绍了该新型节点的构造形式、装配方法和传力路径。该节点传力路径简捷,受力特点明确合理,为装配式钢结构预应力节点连接方式提供了一种思路。(2)通过ABAQUS有限元软件建立焊接连接节点、螺栓连接节点、狗骨形连接板自复位节点以及新型可更换弧形连接板自复位节点的精细化有限元模型,对其抗震性能进行对比分析。研究了所提新型连接节点的钢绞线初始预应力大小、弧形连接板的圆弧半径和厚度以及连接板构造形式等参数对节点承载力、自复位特性和耗能性能等影响规律。研究结果表明:提出的新型节点初始刚度与焊接刚度基本相同,最大承载力优于焊接和栓接节点;新型自复位节点滞回曲线表现出“双旗帜”形,说明其具有良好的自复位性能;钢绞线初始预应力过大会使节点自复位性能降低;弧形连接板的厚度和圆弧半径可调控节点承载力、自复位性能以及耗能能力;相较于狗骨形连接板,弧形连接板对节点主体结构有更好的保护。(3)基于模拟结果,设计了6个1/2缩尺节点试件,其中包括1个普通栓接节点、5个不同控制参数的新型自复位节点,并对6个试件进行相同等级往复荷载试验。试验分析结果可以得出:1)相同荷载等级下,普通栓接节点初始刚度略大于新型自复位节点,但新型节点最大承载力优于普通节点,且在大震作用下,普通节点产生较大的残余位移。2)在荷载等级为2%位移角之前,新型自复位节点呈“双旗帜”形滞回曲线,表现出一定的自复位特性,随初始预应力的增加,旗帜形越明显。新型节点最大承载力与钢绞线初始预应力和翼缘连接板厚度呈正相关关系。3)新型节点主体结构应变较小,过渡连接件滑动螺栓连接板和端板焊接区应力较大。4)修复试件JD-30-4X骨架曲线变化稳定,与JD-30-4骨架曲线基本重合,表明更换连接板的方式切实可行。该类节点的耗能以翼缘连接板塑性耗能为主,组合设计钢绞线初始预应力和翼缘弧形连接板的厚度等参数,可以使节点自复位能力提升的同时,又能改善节点耗能能力。(4)在不同地震作用下,新型自复位梁柱节点连接方式具备较好的荷载传递效果,新型自复位框架结构体系的首层层间位移角较大,中上部层间位移角明显较小,结构体系最大位移角均在3%rad以内,表明该新型自复位结构整体安全可靠。
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