型钢混凝土T形柱—钢梁空间节点的震损机制与计算理论

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型钢混凝土异形柱因其内置型钢的增强作用而致使异形柱结构的适用范围得到扩大。节点作为框架中的传力枢纽,其性能的好坏将直接影响结构的整体受力行为。型钢混凝土异形柱框架节点具有柱肢截面薄而细长、核心区配钢配筋量大而拥挤、截面形状不规则等特点,导致此类节点的内在传力机制较传统节点的复杂;更甚之处在于地震波作为一种随机概率波,其作用于结构上的水平地震加速度具有二维双向性,空间耦合性对型钢混凝土节点的破坏行为有着重要影响。论文对型钢混凝土T形柱-钢梁空间节点在地震作用下的受力性能、数值方法以及计算理论开展了深入研究,取得的主要研究成果如下:(1)采用自主研发的加载装置对10个型钢混凝土T形柱-钢梁空间节点进行了低周反复荷载试验,得到了此类空间节点在受力全过程中的裂缝开展模式、最终破坏形态以及柱端水平荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、核心区钢材的应变状态和相应的分布规律,比较分析了强度衰减、刚度退化、位移延性系数、层间位移角、耗能系数以及残余变形等抗震性能指标,初步揭示了以“弱节点”为设计准则的型钢混凝土T形柱框架空间节点的破坏机理,为后续研究工作提供了翔实的试验支撑。(2)基于课题组前期完成的型钢混凝土L形柱、十形柱-梁平面及空间节点和收集到的钢管混凝土十形柱-钢梁空间节点的抗震性能试验成果,采用标准化计算方法对同类型节点的滞回特性和承载力进行统一分析,得到了一些具有共性的研究结论;在此基础上,分别从承载能力、刚度、延性系数、耗能能力、层间位移角的角度建立了所有试件的抗震性能指标数据库,为深入开展基于性态的损伤分析奠定试验依据。(3)首先,根据课题组前期获取的17个型钢混凝土异形柱抗震性能试验实测数据,建立了该类结构柱基于性态的抗震设计量化指标;采用基于变形和能量的双重准则,结合异形柱结构的力学特性,通过引入组合系数的办法,提出了适用于型钢混凝土异形柱抗震性能演化分析的Park-Ang修正模型;通过控制损伤阀值,明确了型钢混凝土异形柱在各性态水平下的地震损伤评估依据。其次,通过联合课题组完成的型钢混凝土异形柱框架平面节点和空间节点的抗震性能试验成果,在结合异形柱结构力学特性的基础上,通过引入组合系数的办法,提出了适用于型钢混凝土异形柱框架节点地震损伤的Park-Ang修正模型,由此确立了节点组合系数的计算方法,并对各试验影响因素进行了损伤演化分析。(4)基于结构钢的应力三轴度,发展了型钢混凝土T形截面柱-钢梁空间节点的数值模型,并验证了数值模拟的可行性。在此基础上,细化了试验变化参数关于加载角度和轴压比的影响,同时扩展了相应的分析参数如混凝土强度等级、柱截面配钢率(包括翼缘配钢率和腹板配钢率)、肢高肢厚比、剪跨比、梁高和正交梁系的高差,建立了此类新型空间节点受力性能指标的计算数据库;并得到了加载角度对型钢混凝土T形柱框架空间节点受剪承载力的影响,由此得出了相应的数学计算模型。(5)通过已获取的9个型钢混凝土T形截面柱-混凝土梁平面节点和9个型钢混凝土T形截面柱-钢梁空间节点的低周反复加载试验成果,提出了以屈服点、峰值点和破坏点为特征点并考虑刚度退化的三折线型骨架曲线模型,给出了基于试验参数的特征点值确定方法;根据试验获取的滞回特性,简化了不同配钢形式型钢混凝土T形截面柱框架节点的滞回环;通过引入基于损伤的循环退化指数对节点在反复荷载作用下的屈服荷载、最大荷载、卸载刚度以及再加载刚度等力学性能指标进行了退化描述,并建立了基于损伤效应的型钢混凝土T形截面柱框架节点的恢复力模型。结合试验结果,对恢复力模型的有效性进行了验证。(6)首先,分别采用叠加原理和弹性理论对型钢混凝土T形柱框架节点剪切开裂进行承载力推演分析;基于截面置换法,将实腹式配钢节点核心区型钢腹板的抗剪贡献计入计算模型。基于所提出的计算方法,将其与试验结果进行对比分析,得到结论为采用理论计算的剪切开裂承载力均大于试验值,但叠加原理的计算值更加接近试验结果,具有较好的工程精度。其次,根据试验和数值模拟成果,将加载角度引入并考虑其空间作用,提出了混凝土项基于斜压杆理论的型钢混凝土T形柱框架节点核心区受剪承载力计算模型,该模型计算结果比现有规范公式更加接近试验值。
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