方钢管混凝土柱—钢梁刚性节点抗震性能研究

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方钢管混凝土柱钢框架结构具有承载力高、延性好、抗震性能优越、耐火性强、施工方便等优点,成为住宅钢结构发展的一个主要方向。梁柱连接节点是保证结构安全可靠的基础,目前钢管混凝土柱-钢梁节点的研究都是针对焊接方钢管,而对冷成型方钢管混凝土柱-钢梁节点研究很少。   本文根据多层建筑中采用冷成型方钢管柱的特点,研究了方钢管混凝土柱-钢梁竖向加劲板式节点的静动力性能。采用有限元软件ANSYS对竖向加劲板式节点建立三维实体模型,分析了竖向加劲板式节点在不同材料本构关系下的抗震性能,并同已有的试验结果进行比较。通过对14个不同参数的竖向加劲板式足尺节点模型的非线性有限元分析,探讨了竖向加劲板的长度、高度、梁翼缘斜率、轴压比、混凝土强度等级对节点性能的影响。通过对未设内隔板的方钢管混凝土柱-钢梁一般狗骨式节点有限元分析,提出了方钢管混凝土柱-钢梁翼缘加强型狗骨式节点,并对此进行单调和低周反复荷载下的非线性有限元分析。   有限元分析结果表明,采用双折线和双斜线模型会过高估计节点承载力和延性,三种约束混凝土本构关系模型对节点承载力和延性影响较小。竖向加劲板式节点具有良好的延性和耗能能力,节点的塑性铰出现在梁翼缘变截面最窄处,节点最终因梁变截面附近受压翼缘发生局部屈曲而破坏。钢管中混凝土的裂缝主要集中在竖向加劲板两边,混凝土的破坏和裂缝的开展呈现良好的对称性。节点域剪力由钢管壁和核心区的混凝土共同承担,节点核心区混凝土应力较大的区域呈倾斜的带状分布,符合斜压杆受力机制。当钢梁翼缘与方钢管不焊时,节点初始刚度和承载力下降明显,但延性提高。   对梁翼缘变截面在加劲板内的节点,建议梁翼缘变截面斜率(ctgα)取3~4,加劲板的长度和高度对节点的承载力、延性的影响明显。对梁翼缘变截面在加劲板外的节点,相同加劲板长度和高度时,梁翼缘有斜率比无斜率承载力大;相同加劲板长度和高度时,梁翼缘变截面在加劲板外节点比变截面在加劲板内的节点承载力大。随着轴压比的增大,节点极限承载力、耗能能力和延性都会下降,混凝土强度的变化对节点极限承载力、耗能能力和延性影响较小。方钢管混凝土柱-钢梁一般狗骨式节点达不到塑性铰外移的目的,而采用翼缘加强型狗骨式节点能使塑性铰首先在翼缘削弱处形成,翼缘加强型狗骨式节点具有良好的延性和耗能能力,翼缘的加强使节点初始刚度的增加明显。
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