方钢管柱与H型钢梁单边螺栓连接节点抗震性能研究及有限元分析

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方钢管混凝土柱具有较高的延性,抗压及抗弯承载力,已在实际工程中得到广泛的应用。由于钢管柱闭口截面的特性,现阶段方钢管混凝土柱与H型钢梁梁柱连接节点多为焊接节点,而方钢管柱与梁焊接节点较易在梁端焊缝处发生脆性断裂,焊接质量成为控制焊接节点性能的关键因素。受现场多种不可控因素影响,焊接质量难以得到保障。为解决这一问题,相关学者提出了螺栓连接节点,避免了节点的现场焊接。然而,由于方钢管柱闭口截面特性,难以实现高强螺栓施拧,而在柱壁开设安装手孔的方法又需要现场补焊,对节点域性能有一定影响。为解决闭口截面柱高强螺栓施拧困难问题,具有单边锁紧能力的单边螺栓被提出及应用。本文通过对使用国产新型单边螺栓STUCK-BOM连接的方钢管混凝土柱梁柱节点进行试验研究和有限元分析,研究了此类节点的抗震性能和静力性能。在进行节点试验之前首先进行了6组单边螺栓的单调拉伸试验,研究了单边螺栓的破坏模式及其产生的原因,分析了试件的承载力,整体抗拉刚度和滑移刚度并揭示了试件不同破坏模式下抗拉刚度的变化规律,对单边螺栓的抗拉刚度组成进行总结,得出混凝土和单边螺栓偏心布置对试件抗拉刚度的提升原理。试验结果表明,钢管内填充混凝土和单边螺栓的偏心布置对单边螺栓的极限承载力无提升作用;钢管内填充混凝土和单边螺栓的偏心布置能够显著提升试件的整体抗拉刚度和滑移刚度。混凝土破坏后将完全退出工作,不能继续对试件提供抗拉刚度;填充混凝土对试件抗拉刚度的提升机理主要是约束了单边螺栓套筒分支的扩展趋势以及增加了钢管受拉翼缘的受力面积,而偏心试件的抗拉刚度提升机理则是充分利用了钢管侧壁的刚度。通过对使用STUCK-BOM连接的方钢管混凝土柱外伸端板连接节点的抗震性能进行研究,对3个不同构造参数的1/2缩尺节点试件进行梁端拟静力循环加载试验,研究了节点的破坏模式、刚度、耗能能力、转动能力,刚度退化和延性等抗震性能指标。与前人的研究成果进行对比,分析了钢管混凝土节点与无填充混凝土钢管柱节点抗震性能的差异性。通过改变端板厚度和单边螺栓型号,对比分析不同节点构造对节点抗震性能的影响。研究结果表明,柱内填充混凝土可以有效对单边螺栓进行锚固,抑制其拔出趋势;在外荷载作用下单边螺栓易发生伸长变形或滑移,使节点试件弯矩-转角曲线出现明显的捏缩现象;钢管混凝土节点的初始转动刚度较未填充混凝土钢管柱节点提升50%左右;钢管混凝土节点的等效耗能系数,等效黏滞阻尼系数和延性均高于同类型未填充混凝土钢管柱节点;钢管混凝土节点的极限转角为0.038rad~0.06rad,满足建筑抗震设计规范的要求;方钢管混凝土节点的极限转角为相同条件下翼缘焊接节点极限转角的3.98~4.31倍,节点的连接刚度较弱。运用ABAQUS有限元计算软件对方钢管混凝土单边螺栓外伸端板梁柱连接节点进行建模,对节点的静力性能进行分析,有限元模型可较准确的模拟节点的初始转动刚度,同时运用合理的节点简化方式以及网格划分方法,大大提高了有限元模型的计算效率。研究结果表明,有限元模型能够较好的重现节点的实际破坏模式,能够应用到节点的后续研究工作中;有限元模拟结果与试验结果相近,验证了有限元模型的准确性。
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