双侧板贯穿式钢管混凝土柱—钢梁节点抗震性能研究

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钢管混凝土柱和钢梁组成的组合结构因其优越的力学性能和抗震性能,在高层和超高层建筑中得到广泛应用,被认为是现代建筑中一种理想的结构形式。国内外学者对此开展了广泛的理论分析和工程应用研究,使钢管混凝土柱的理论体系日趋完善,计算方法不断成熟,《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS159:2004)的颁布进一步推动了组合结构发展。节点是组合结构的关键部位,其连接构造不仅决定了节点的内力传递方式,而且直接影响结构的力学性能和抗震性能,同时决定了钢梁和钢管混凝土柱优良力学性能的发挥程度。近年来,国内外专家学者对组合结构节点连接进行了深入研究,提出了一些新型节点连接形式,但可供工程选用的成熟节点较少。《矩形钢管混凝士结构技术规程》虽然推荐了外隔板式节点、内隔板式节点和外伸内隔板节点,但远远不能满足工程的需要。因此,研究构造简单、受力合理、抗震性能优越的节点,是推动钢管混凝土柱一钢梁组合结构应用和发展的关键。本文的主要工作和成果如下:1.在广泛查阅田内外该领域文献的基础上,深入分析钢管混凝土柱和钢梁节点形式,指出各类节点的优缺点,为设计人员选用已有节点点形式提供参考,同时为这类节点的进一步深入研究提供依据。2.系统分析已有节点的构造形式和细节对节点受力性能的影响,深入剖析焊接工艺孔造成的连接处缺陷对节点承载力和抗震性能的影响,以及钢梁翼缘对接焊缝引起焊缝附近金属脆性破坏的原因,参考国内外节点构造改进方法,提出了新型的节点形式—双侧板贯穿式钢管混凝土柱—钢梁节点3.设计制作17个十字形中间节点试件,通过静力试验考察节点核心区的应变分布情况、破坏形式、极限承载力等;通过拟静力试验考察节点塑性铰的发生位置、塑性域的扩张情况、节点在低周往复荷载作用下的滞回性能等,分析贯穿式侧板各特征参数对节点受力性能和抗震性能的影响。试验结果表明:贯穿式侧板有效地减小了钢梁上翼缘与钢管柱连接处的应力和应变梯度;梁端荷载一位移滞回曲线均呈梭形,比较饱满,没有捏缩现象;节点域钢梁未发生过大的变形和破坏,节点的屈服和破坏均发生在穿心板外0.5h。(梁高)附近,属于延性破坏。4.考虑接触非线性、几何非线性和材料非线性,采用大型有限元软件ABAQUS分析静力和拟静力荷载作用下节点域的应变规律和节点抗震性能,将计算结果和试验结果进行比较分析,进一步分析轴压比、混凝土强度等级、贯穿式侧板各特征参数等对节点力学和抗震性能的影响,揭示节点的应力传递路径,并对核心区钢管内混凝土和贯穿式侧板的应变情况等进行补充分析。结果表明:侧板贯穿式充分利用了钢管混凝土柱的横向力学性能,梁根处应力中和轴与几何形心轴不重合,是一种非对称节点;贯穿式侧板节点核心区的应力传递路径与常用节点不同,其钢梁翼缘拉力沿侧板呈“Z”字形传递,压力主要沿核心区对角线上的混凝土短柱传递,传递路径为空间体系;贯穿式侧板的形状和各参数对节点的抗震性能影响不大,但对侧板的应力分布有较大影响。5.基于试验研究和有限元分析的结果,明确了节点核心区的应力传递路径,揭示了节点的传力机理和屈服机制,运用虚功原理和叠加法,建立节点的受弯、受剪承载力计算方法及相应公式。最后,在总结全文的基础上,对该课题的进一步研究提出建议。
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