梁柱“上焊下栓”节点受力性能有限元分析

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钢结构具有质量轻,抗震性能好,且其材料强度高,塑性、韧性好等优点,被广泛应用于民用和工业建筑中。而梁柱节点是建筑结构的一个关键部位,它在结构中起着连接梁柱、传递和分配结构内力、协调结构与构件之间的变形以及保证结构整体性的重要作用。国内外的历次地震表明节点一旦发生破坏往往导致结构破坏。因此,对梁柱节点抗震性能的研究是十分必要的。本文在“互”字型节点研究的基础上,进而改进形成的一种新型梁柱“上焊下栓”节点,该节点的上翼缘采用对接焊缝连接,下翼缘一侧采用角焊缝连接,另一侧采用螺栓连接。为研究该节点梁塑性铰与拼接区滑移出现的先后顺序、拼接区耗能所占的比例以及节点的受力性能,通过改变悬臂梁未拼接长度、翼缘拼接板的截面面积、接触面摩擦系数和翼缘螺栓数,设计了四组试件,利用有限元软件ABAQUS对其进行单调荷载和低周往复荷载作用下的有限元分析。另外对比分析了梁柱“上焊下栓”节点与“互”字型节点在不同翼缘截面面积、接触摩擦系数下的抗震性能;同时也对比分析了梁柱“上焊下栓”节点的BASE试件与传统栓焊混合节点的受力性能。得出以下结论:(1)在低周往复荷载作用下,不同拼接参数下梁柱“上焊下栓”节点的破坏模式基本相似,梁下翼缘与拼接板先出现滑移,接着塑性铰出现在悬臂梁上;随着梁端位移角的增大,塑性变形区域与梁拼接区板件的滑移量随之增大。梁柱“上焊下栓”节点在地震作用下能有效利用拼接区板件的滑移、螺栓杆与孔壁的挤压以及板件的变形来实现耗能,且该节点具有良好的滞回性能和耗能能力。(2)增加悬臂梁未拼接长度,梁柱“上焊下栓”节点开始出现滑移时所对应的荷载和位移随之增大,但拼接区的耗能占总耗能的比例反而减小;在对比分析的基础上,建议悬臂梁未拼接长度的取值范围为1.25b_f~1.5b_f。当翼缘拼接板为翼缘截面面积的2/3~4/3倍时,梁拼接区的耗能占总耗能的39%~45%;随着拼接板截面面积的增大,梁柱“上焊下栓”节点的负向承载力和延性均有降低,因此适当的减小翼缘拼接板的截面面积可以有效地提高节点的变形能力及延性。(3)当翼缘螺栓数为翼缘等强设计螺栓数的2/3~4/3倍时,梁拼接区耗能占总耗能的41%~44%;随着翼缘螺栓数的减少,梁柱“上焊下栓”节点在达到极限承载力后其承载力下降较缓,因此,适当的减少螺栓数可以增大拼接区板件的滑移、变形和螺栓杆与孔壁的挤压。当接触面的摩擦系数取0.1~0.45时,梁柱“上焊下栓”节点的梁拼接区耗能占总耗能的41%~48%;随着接触面摩擦系数的减小,节点的等效粘滞阻尼系数减小,但节点的延性性能有一定程度的提高。(4)当拼接板的截面面积为翼缘截面面积的5/6~6/5倍时,与“互”字型节点相比,“上焊下栓”节点悬臂梁的塑性变形增大,其延性和承载力较低。当接触面的摩擦力取0.1~0.2时,与“互”字型节点相比,“上焊下栓”节点具有较好的延性。当接触面的摩擦力取0.3~0.45时,“上焊下栓”节点的变形能力和延性均低于“互”字型节点。(5)与传统栓焊混合节点相比,梁柱“上焊下栓”节点的BASE试件具有较高的承载力、延性和变形能力。
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