小型方钢管梁柱框架采用柱端水平板-螺栓连接节点抗震性能试验研究

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在我国推进建筑业节能减排的进程中,钢结构建筑凭借其强度高、重量轻、延性大、工业化集成高、抗震性能好、施工速度快、可持续性发展、综合经济指标好等优点得到迅速发展。方钢管截面柱梁的应用需求显著增多,而其节点连接方式尚缺少研究,已有的全焊、栓焊连接方法不能高速装配,不能满足工程应用需求。兹提出一种新型小型方钢管梁柱框架采用柱端水平板-螺栓连接节点,利于在工厂加工、运输吊装,同时可大幅提升安装工作效率并有效降低安装施工难度,更加节能节材。通过1:1实体构件低周反复荷载试验与有限元数值分析结合的方法,研究小型方钢管梁柱框架采用柱端水平板-螺栓连接节点在低周往复荷载作用下的破坏特征、滞回曲线、骨架曲线、应力应变分布、破坏模式以及极限承载力,并与传统内隔板方钢管梁柱节点进行对比,考察此新型节点形式应用的可行性。研究得出以下结果:(1)对小型方钢管梁柱框架采用柱端水平板-螺栓连接节点和常规方钢管梁柱全焊连接节点分别进行低周往复循环加载试验,发现常规方钢管梁柱全焊连接节点在梁柱连接区焊缝应力集中明显,较为容易发生脆性断裂;小型方钢管梁柱框架采用柱端水平板-螺栓连接节点有效提高了节点的延性,降低了常规节点的脆性断裂的风险,同时拥有更好耗能能力和刚度退化系数。且小型方钢管梁柱框架采用柱端水平板-螺栓连接节点的极限承载力较常规方钢管梁柱全焊连接节点提升了 16.18%。(2)通过ABAQUS有限元软件建立了两种节点的非线性有限元计算模型,有限元数值模拟结果与试验结果对比分析表明:有限元数值模拟中各组件的应力云图及等效塑性应变与试验中对应组件所表现出的试验现象相接近,且节点极限承载力,极限位移等参数相差不大。对低周往复数值模拟加载下两种节点进行对比,小型方钢管梁柱框架采用柱端水平板-螺栓连接节点较常规方钢管梁柱全焊连接节点抗震性能提升较大,其中屈服荷载提升29.3%,极限荷载提升22.7%,极限位移提升25%,新型节点具有更好地抗震性能,与试验结果相吻合。(3)根据有限元数值分析和低周往复加载试验结果,改变基准模型的构件尺寸、轴压比、界面摩擦系数等相关参数,研究各参数变化对新型节点的位移-荷载曲线、骨架曲线等的影响,分析得出在节点设计中宜设置柱与端板之间的加劲肋,尽量保持柱端轴压比在0.3-0.4范围内,水平端板厚度不宜小于16mm,水平端板间界面摩擦系数对节点的承载力和抗震性能影响不大。(4)结合试验研究和有限元数值模拟结果,提出了小型方钢管梁柱框架采用柱端水平板-螺栓连接节点的水平端板、螺栓、节点短柱段的实际工程设计计算方法。
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