新型PEC柱-钢梁T形件连接组合框架层间抗震性能数值模拟

以采用预拉对穿螺栓T形焊接连接的新型卷边PEC柱-钢梁组合框架中间层子结构试验试件作为研究对象,利用有限元软件ABAQUS对其进行了拟静力循环荷载下抗震机理的数值模拟。基于模拟数据整理,分析了试件结构的承载力、抗侧刚度、节点连接性能、耗能能力、剪力分配、变形模式、节点域传力机理和破坏机构等抗震性能。研究结果显示:试件具有较高的承载能力、较大的初始抗侧刚度和良好的耗能能力;新型卷边PEC框架柱平均分担水平力,层间变形表现为剪切型变形模式;预拉对穿螺栓连接表现出部分自复位功效;T形件的设置既保证了节点的必要刚度,又使得试件破坏模式为梁端出现塑性铰位置外移至T形件外端部的塑性机构,更好地满足了"强柱弱梁"的抗震要求,且对应层间剪切角和节点连接转角均超过中震层间侧移限值1/50,表明该结构体系具有良好的抗倒塌能力。研究成果可为卷边PEC柱相关框架结构体系的进一步研究和工程应用推广提供参考。     

焊接H型钢蜂窝短柱轴压性能试验研究

蜂窝柱具有自重轻、便于管线通过和经济效益显著等特点,已被广泛应用于桥梁、厂房、办公楼等许多领域。为研究焊接H型钢蜂窝短柱轴压性能,文中对12根蜂窝短柱进行轴压试验,分析了孔洞的直径及边孔孔心至柱端距离对蜂窝短柱轴压承载力、刚度和延性的影响,得到了荷载-位移曲线、极限承载力-孔径曲线、初始刚度-孔径曲线、刚度退化曲线、荷载-应变强度曲线等。试验结果表明:对于翼缘较薄的试件,腹板厚度对破坏模式有较大的影响,而对于翼缘较厚的试件,试件破坏模式主要与边孔距柱端的距离有关;随着孔径的增大,试件极限承载力略微降低,刚度退化速率增大,但对初始刚度和延性的影响并不显著;对于孔径较小的蜂窝短柱,边孔至柱端距离对极限承载力的影响较小,而对于孔径较大的蜂窝短柱,随着边孔至柱端距离的变化,存在一个最优的距离,使得开孔率一致的情况下,蜂窝短柱极限承载力达到最大;对于翼缘较厚,腹板较薄,孔径较大的试件,刚度退化速率随着边孔至柱端距离的增大逐渐增大;应力主要集中在中孔左右两侧。最后,本文建立了焊接H型钢蜂窝短柱的极限承载力计算公式。     

大尺度新型卷边PEC柱-钢梁T形件摩擦耗能型连接中节点抗震试验研究

本文考虑柱轴压力、PEC柱布置方式和钢板组合截面类型等设计参数,对4个大尺度新型PEC柱-钢梁T形件摩擦耗能型中节点试件进行拟静力试验。基于试验数据,分析了试件承载能力、连接力学性能、节点传力机理和破坏模态等抗震性能。研究结果发现:新型卷边PEC柱较大程度增强了核心区混凝土的约束作用,更好满足"强柱弱梁"的抗震设计要求;PEC柱轴压力增大了节点初始转动刚度,其二阶效应降低了节点抗弯承载力,但加快了梁截面进入屈服的损伤进程;预拉对穿螺栓使节点域实现了混凝土斜压带传力机理,相应降低了节点区的抗剪需求,且具有一定的自复位功效;由于T形件对节点的加强作用,使得除试件SLJ3外的其余试件破坏模态均为T形件端部外排螺栓附近钢梁截面充分屈服形成塑性铰的理想延性破坏机构,对应连接转角均大于大震层间相对侧移限值1/30,表明摩擦耗能型连接较好实现了"小震通过摩擦耗散地震能,中大震利用T形件端部外排螺栓附近梁截面屈服耗散地震能"的设计目标。     

碟形弹簧自复位梁柱钢节点受力性能分析

针对自复位节点钢绞线预应力损失的问题,提出了一种新型碟形弹簧自复位梁柱钢节点。介绍了该节点的构造,对该节点的力学性能进行了理论分析。采用ABAQUS建立了碟形弹簧自复位梁柱钢节点的有限元模型,根据理论分析的计算结果验证了有限元分析的准确性。分析了弹簧预压力、摩擦系数、弹簧刚度和腹板摩擦装置的螺栓预紧力对该节点受力性能的影响。结果表明:碟形弹簧自复位梁柱钢节点在低周循环荷载作用下的滞回曲线为旗帜形,具有较好的复位能力和耗能能力。弹簧预压力、摩擦系数和腹板摩擦装置的螺栓预紧力对节点开口弯矩、耗能能力和复位能力的影响较大;弹簧刚度对自复位节点开口后刚度、耗能能力和残余变形的影响较大。     

复式钢管混凝土柱-钢梁节点的抗震性能有限元分析

复式钢管混凝土柱具有较高的抗压承载力,在强地震作用下具有很好的防倒塌能力,已广泛用于大跨度桥梁和超高层房屋建筑中。基于复式钢管混凝土柱-钢梁节点的试验研究,合理选择材料本构关系、破坏准则,采用ANSYS软件建立了有限元模型,以研究该类节点在低周往复荷载作用下的抗震力学性能。有限元模拟得到的滞回曲线及骨架曲线与试验结果吻合较好,从而验证了有限元模型的合理性。在此基础上,分析了钢梁及内外钢管在受力过程中的应力分布,探索了此类节点的传力机制及最终破坏形态;最后对该类节点进行参数分析,研究了钢梁强度等级、外方钢管柱强度等级、外方钢管柱壁厚及复式钢管混凝土柱轴压比对节点受力性能的影响,供此类新型节点的试验设计及工程应用参考。     

板钉连接CFST柱-RC梁节点梁端塑性铰区受力性能数值模拟

建立竖板-栓钉连接钢管混凝土（CFST）柱-钢筋混凝土（RC）梁节点试件（SSJD）拟静力加载试验有限元模型,并在节点损伤情况、梁端荷载-位移曲线等数值模拟结果与试验结果吻合较好的基础上,进一步开展了RC梁混凝土强度、配筋率ρ_s和连接竖板长度L_b及界面连接情况等对CFST柱-RC梁节点梁端塑性铰区域力学性能的影响。研究结果表明,RC梁混凝土强度对试件SSJD塑性铰区域受力性能的影响较小;适筋范围内RC梁配筋率增加可适当提高试件SSJD承载力和延性;随着连接竖板长度的增加,梁端塑性铰区域外移,梁破坏荷载增大;本研究给出的RC梁与CFST柱之间的界面抗剪承载力模拟值与计算值吻合较好,可用于界面抗剪设计。     

基于性能提升的螺栓-组件连接抗倒塌分析

框架竖向承重构件失效后,节点的性能决定了荷载是否能可靠地传递给相邻构件。栓焊刚性连接具有较高的初始刚度,在大变形条件下梁端母材易过早断裂,悬链线机制的发挥无法保证;顶底角钢腹板双角钢半刚性连接虽然具有较大变形能力,但在早期小变形阶段承载力偏低,性能有所不足。为全面提高节点的抗倒塌性能,设计了1种螺栓-组件连接节点,通过建立理论模型与数值模型进行相互验证,对该连接方式的抗倒塌性能进行了细致分析。结果表明:螺栓-组件连接子结构初始阶段承载力高于栓焊连接,并且在过渡阶段稳定上升,具有较大的转动变形能力。通过将梁腹板局部加厚,可使其在大变形条件下的承载力高于双腹板顶底角钢半刚性连接,抗倒塌性能优越。该新型连接节点传力明确,各组件工作性能合理高效,理论分析表明组件约束长度β、壁厚h和滑道长度d是影响其抗倒塌性能的关键因素,并给出了设计建议。     

钢筋混凝土梁柱边节点抗震性能参数分析

通过2个钢筋混凝土梁柱边节点的低周反复荷载试验,从骨架曲线、变形能力和耗能等方面对边节点的抗震性能进行了研究,进一步应用有限元程序ABAQUS对梁柱边节点进行有限元参数分析,研究轴压比和配筋率对节点抗震性能的影响。研究结果表明:随着柱端弯矩增大系数的提高,边节点试件的破坏模式从柱端混凝土压溃破坏转变成梁端塑性铰破坏,现行规范规定柱端弯矩增大系数有效实现了"强柱弱梁"预期设计目标;若边节点试件发生梁端破坏,柱轴压比变化对钢筋混凝土节点承载力和抗震性能影响甚微;随着柱配筋率逐步提高,框架梁梁端出现了塑性铰,显著提高了节点的承载力和抗震性能。     

内嵌式法兰连接预制拼装双柱墩参数分析

本文基于实际工程对内嵌式法兰连接预制拼装双柱墩参数进行了分析,将法兰设置在塑性铰区以外,设计1∶3缩尺模型,通过分析不同法兰强度等级、混凝土强度等级、轴压比和配筋率的内嵌式法兰连接预制拼装双柱墩模型,得到不同情况下推覆曲线和损伤破坏状态,分析各参数的影响。研究结果表明,法兰强度等级对结构的影响较小,配筋率对结构承载力和延性的影响较大,结构最终失效主要表现在塑性铰区域,法兰存在一定程度的翘起。     

模块化装配式钢连梁-混合联肢墙节点抗震性能研究

借鉴模块化装配式多高层钢结构的优势,提出一种全螺栓连接的模块化装配式钢连梁-混合联肢墙结构体系。为研究该体系梁墙连接节点的受力性能,设计了6个该类型节点、1个暗柱焊接节点和1个端板螺栓连接节点,并利用有限元软件ABAQUS建立了节点的有限元模型,基于已有试验进行了验证。在此基础上研究了连接方式、变形形态、端板厚度对节点抗震性能的影响。研究表明,模块化装配式钢连梁具有较高的承载力及延性,当钢连梁设计为弯曲屈服时,螺栓连接节点中翼缘相对位移由翼缘螺栓抗拉承担,螺栓变形较小,传力效率较高,更容易形成受力明确的屈服耗能段。当钢连梁为剪切屈服时,由于钢连梁腹板接触面的相对滑移,传力效率降低,刚度退化较快。端板设置能够有效抑制节点区混凝土开裂速度,显著提高节点后期刚度,对节点抗震性能有明显改善。     

考虑力组合效应的钢框架端板连接力学行为

为研究不同力组合效应对平齐端板连接力学行为的影响,采用ABAQUS程序建立不同受力情况下连接的非线性简化有限元模型,通过与国内外典型试验结果对比分析,验证了有限元模型的可靠性。基于此通过考虑8种力组合因素的影响,分析了2种不同钢等级的梁柱节点力学行为,进一步讨论了EC3 Part 1-8规范的适用性。结果表明:简化有限元模型在弯矩-转角曲线、破坏形态、初始刚度和塑性抗力等方面与试验结果吻合良好。框架梁轴力对节点的力学行为影响显著,当轴拉力为20%的框架梁轴向塑性抗力N_pl时,高强钢节点的刚度和强度分别降低68%和52%;当轴压力为-20%N_pl时,刚度和强度分别增加89%和42%。此外节点的滞回耗能能力、破坏模式以及分类属性与梁轴力水平密切相关。对于高强钢梁柱平齐端板节点,EC3规范对框架梁轴压力的限值仍过于保守。研究结果对于提高结构的抗倒塌能力和组合力作用下的理论研究具有重要参考价值。     

外伸端板连接构造参数变化对撬力的影响

钢结构外伸端板连接撬力对节点性能产生不利影响。外伸端板构造形式变化对撬力的影响比较复杂,故撬力准确计算比较困难。进行了外伸端板连接节点端板厚度、螺栓直径以及螺栓布置等构造参数变化对撬力的多因素影响有限元分析,并通过试验结果进行了验证。分析结果表明:端距、螺栓列横向间距以及端板厚度等构造参数变化对端板连接节点撬力产生不同程度的影响,我国现行规范(JGJ82-2011)撬力计算值与有限元结果基本一致,个别构造特殊的端板连接撬力计算值存在一定的误差。在有限元分析基础上,给出了有效减小撬力的连接构造设计建议,并对我国规范撬力计算公式进行了修正完善,修正公式计算结果与有限元计算结果取得了更好的一致性。     

外伸式端板连接钢-混凝土组合节点抗震受剪承载力

为了进一步研究外伸式端板连接型钢-混凝土组合节点的受力特点、破坏形态以及节点的抗震受剪性能,进行了7个外伸式端板连接节点的低周反复荷载作用的试验,对其破坏形态进行了分析,提出了可供实际工程参考使用的节点核心区抗震受剪承载力计算公式;对比分析了不同的螺栓数量、排列方式和螺栓直径的节点抗震受剪承载力值及耗能能力,给出了相同的螺栓排列方式,指出螺栓直径大的其抗震承载力高,并指出三行三列螺栓排列方式的节点是外伸式端板连接钢-混凝土组合节点最为合理的节点形式。     

T型钢半刚性连接梁柱节点抗震性能试验研究

通过对两组T型钢连接梁柱节点的单向与循环加载试验,了解该类型节点的抗震性能以及翼缘厚度对节点抗震性能的影响,并通过IDARC程序模拟节点的受荷过程,讨论T型钢连接梁柱节点理论建模的方法.试验研究表明:T型钢梁柱连接滞回曲线饱满,连接表现出了良好的延性,极限转角均超过了欧洲规范规定的极限转角0.03 rad,具有较为理想的抗震性能;T型钢翼缘越厚,节点初始刚度、承载力以及耗能能力越大;对于半刚性连接中螺栓刚度大于T型钢翼缘刚度的试件应按T型钢的极限承载力设计.程序分析表明:利用刚度均匀变化的节点板模拟T型钢的半刚性连接具有较高的模拟精度,通过调整节点板底部刚度以及屈服弯矩可以模拟不同翼缘厚的T型钢半刚性连接.     

腹板摩擦式钢框架节点震后可更换性能的试验研究

主要针对梁腹板带有摩擦耗能螺栓的自复位钢框架节点结构进行抗震性能和可更换性能的试验研究,探讨该类节点在往复荷载作用下的滞回性能以及节点域的变形特征。在参数选型的基础上,对5组钢框架节点试件进行了低周反复荷载作用下的拟静力试验,其中:4组试件具有自复位能力,分析了各试件的承载力、刚度、耗能性能和滞回特性等性能。综合研究结果表明:所提出的拼接节点能够利用摩擦螺栓的滑移提高节点的耗能能力,有效减少梁和柱主体构件的损伤,同时预应力筋提供了结构的自复位能力。试验结果表明:在地震作用之后,通过更换腹板及摩擦螺栓可以使结构的承载能力和耗能性能与震前基本一致,从而实现结构功能的快速恢复。     

新型自复位变摩擦阻尼器试验研究

目前阻尼器运用广泛,但传统摩擦阻尼器无法适应不同的振动强度,且在地震作用后损坏严重,没有自复位功能。文章利用形状记忆合金的超弹性,提出一种新型的自复位变摩擦阻尼器,介绍了阻尼器的构造、基本工作原理并推导了其力学模型,之后对阻尼器进行了力学试验。得到如下结论：该阻尼器不仅能在不同等级地震作用下满足耗能要求,还具有良好的自复位能力;力学试验得到的滞回曲线与理论推导的力学模型吻合较好,印证了力学模型的正确性;该阻尼器耗能能力随着合金丝直径、螺栓预紧力和坡面坡度的增大而增强;残余位移随着合金丝直径和坡面坡度增大而减小、随着预紧力增大而增大。     

新型端板螺栓连接框架节点抗震性能试验研究

提出了一种新型预应力混凝土梁、连续复合螺旋箍筋混凝土柱及端板螺栓连接的装配式节点,该节点的基本构造为:采用高强螺栓通过外伸端板将梁与柱装配在一起,并在梁柱中均采用连续复合螺旋箍筋,另在梁中配置预应力筋与普通钢筋,普通钢筋通过墩头与端板焊接在一起,且在节点核心区处采用钢板箍替代箍筋。该节点传力明确,且避免了核心区钢筋纵横交错的现象。为研究该节点的抗震性能,通过拟静力试验对该节点的滞回曲线、延性、高强螺旋箍筋对混凝土的约束作用等进行了分析。试验结果表明:节点破坏前,梁端出现了明显的塑性铰,节点具有较好的延性及耗能能力,且柱子和核心区的损坏程度较小,密配高强螺旋箍筋的约束作用能有效地提高构件的抗剪承载力和结构的变形能力。     

改进型非对称加腋节点的抗震性能分析

为研究十字型非对称加腋节点的抗震性能,设计了上翼缘翼缘板加强和下翼缘加腋的节点形式,并与仅下翼缘加腋、上翼缘盖板加强下翼缘加腋的加腋节点进行了对比研究,通过理论计算以及Ansys模拟研究了不同节点构造及参数取值对加腋节点抗震性能的影响。分析结果表明:3种构造的加腋节点试件塑性铰均发生离加腋端约梁高的1/4-1/3处。美国规范AISC steel design guide series12所计算的梁塑性破坏时剪力偏小。梁上翼下翼缘梁柱焊缝应力呈中部大两端小的分布趋势,上翼缘焊缝应力对于焊缝起到决定性作用。随着加腋长度的增加,塑性铰的位置离加强端的距离变大;翼缘板加强节点的梁柱上翼缘焊缝应力变小,其他2种构造节点应力有变大趋势;梁柱下翼缘的焊缝应力均随加腋长度的增加而变小;3种构造的试件最大承载力均随之加大。     

异形柱框架节点抗震性能试验研究

通过6个2/3比例的T形柱框架节点的低周反复试验,考察了轴压比、柱翼缘宽度等因素对节点裂缝开展、节点的破坏机理的影响。提出了翼缘宽度对节点抗剪性能的影响与梁柱抗弯刚度比有关,指出了翼缘板对节点抗剪承载力影响的修正系数ξf须考虑梁柱抗弯刚度比的影响,而不能仅按《混凝土异形柱结构技术规程》(征求意见稿)中的bf-bc来反映。     

Q690板式加强与锥型削弱组合节点抗震性能研究

高强度钢材由于其强度大,变形能力差等原因,将其应用在传统焊接连接中节点虽有较大刚度,但转动能力不足,致使强震下材料的塑性变形很难开展,难以满足高烈度抗震设防区结构的延性需求。基于同步塑性设计理念,对梁翼缘采取"锥型削弱"的改进思路,能有效扩大塑性区屈服面积;结合"板式连接过渡",在提高节点变形和耗能能力的同时,保护柱面梁端焊缝不发生脆性断裂。文中对5个高强钢锥型削弱型节点形式进行了低周往复试验,讨论锥型削弱对节点性能的影响,对比分析了节点的承载力、刚度及延性等关键性能指标。研究结果表明:板式加强与锥型削弱组合节点的塑性变形主要集中在锥型削弱区域,锥型削弱降低了节点的承载力但明显提升了节点的延性,实现塑性铰外移。组合型节点的极限转角均超过0.034 rad,等效粘滞阻尼比大于0.36,分析关键位置处的应变发现,削弱段塑性铰发展不完全,节点的承载力、延性、耗能能力以及转动能力仍有较大的提升潜力。