部分高度端板半刚性薄钢-混凝土组合节点受力性能研究

摘要

近年来，国内外对薄壁钢管混凝土柱进行了大量的研究，薄钢-混凝土组合梁也进行了一些研究，薄钢-混凝土组合梁柱刚性节点和铰接节点亦有少数研究；但现有梁柱节点中的薄壁钢梁和钢柱的连接需要在施工现场焊接，施工速度慢且施工质量难以保证，严重的制约着这种新型结构的应用和发展；其次半刚性薄钢-混凝土组合梁柱节点尚无详细的研究。针对上述问题，本文提出了一种新型半刚性薄钢-混凝土组合梁柱节点，节点中的柱为薄壁设肋方钢管混凝土柱，梁为薄壁卷边工字钢-混凝土组合梁，梁柱通过焊接在钢梁下翼缘的部分高度端板用穿芯高强螺栓连接在一起。本文对这种新型节点进行了试验研究、有限元分析和理论分析，主要完成的工作有:
　　(1)进行了4个薄壁设肋方钢管混凝土柱穿芯高强螺栓抗剪性能的试验研究，研究了柱钢管壁上螺栓孔的大小、是否隔离穿芯高强螺栓与混凝土之间的粘结力及穿芯高强螺栓中的预拉力对穿芯高强螺栓抗剪性能的影响。研究了钢管混凝土柱穿芯高强螺栓在剪切荷载作用下的计算模型。基于钢管混凝土柱穿芯高强螺栓在剪切荷载作用下可能出现的破坏模式，对穿芯高强螺栓的抗剪性能和穿芯高强螺栓在拉剪联合作用下的受力性能进行了研究。
　　(2)进行了5个部分高度平齐式端板半刚性薄钢-混凝土组合梁柱节点在负弯矩作用下的试验研究，节点的主要变化参数为混凝土板中纵向钢筋的配筋率和节点类型。重点研究：这种新型节点的弯矩-转角特性，以及节点是否具有结构塑性内力重分布时所要求的抗弯承载力和转动能力；边缘加劲板件的非弹性稳定和非弹性变形能力；梁柱连接处组合梁横截面上的剪力分配及混凝土板的抗剪性能；边柱节点中混凝土悬挑板和钢管混凝土柱之间的相互作用及悬挑板的受力性能等。
　　(3)进行了8个部分高度外伸式端板半刚性薄钢-混凝土组合梁柱节点在单调或往复荷载作用下的试验研究，节点的主要变化参数是混凝土板中纵向钢筋的配筋率、节点类型、节点的受荷方式和荷载类型。重点研究：这种新型节点的弯矩-转角特性，以及节点是否具有结构塑性内力重分布时所要求的抗弯承载力和转动能力；正弯矩承载力大于负弯矩承载力的，正、负弯矩承载力约相等和负弯矩承载力大于正弯矩承载力的节点滞回特性和抗震性能；边缘加劲板件在单调或往复荷载作用下的非弹性稳定和非弹性变形能力；节点在正负弯矩作用下梁柱连接处组合梁横截面上的剪力分配及混凝土板的抗剪性能；混凝土板和钢管混凝土柱之间的相互作用及混凝土板的受力性能；薄钢-混凝土组合悬挑板的受力性能等。
　　(4)运用非线性有限元软件ABAQUS6.5建立了22个部分高度平齐式端板半刚性薄钢-混凝土组合梁柱节点的有限元模型，重点研究了混凝土板中的配筋率、混凝土板与钢梁之间的组合作用、部分高度平齐式端板的高度、穿芯高强螺栓距钢梁受压翼缘(即下翼缘)之间的距离、部分高度平齐式端板的厚度和柱轴压比等对这种新型节点在负弯矩作用下的弯矩-转角特性的影响和端板的厚度对这种新型节点在正弯矩作用下的弯矩-转角特性的影响。
　　(5)运用非线性有限元软件ABAQUS6.5建立了9个部分高度外伸式端板半刚性薄钢-混凝土组合梁柱节点的有限元模型，重点研究了混凝土板中纵向受拉钢筋的面积、螺栓中的预拉力、部分高度外伸式端板的厚度、部分高度外伸式端板的高度及部分高度外伸式端板上螺栓孔的布置对这种新型节点弯矩-转角骨架曲线的影响。(6)基于组件法的思想，对部分高度端板半刚性薄钢-混凝土组合梁柱节点在正负弯矩作用下的初始转动刚度和抗弯承载力的计算公式进行了研究。根据EC4，对节点依初始转动刚度的分类和节点的转动能力进行了研究。

目录

部分高度端板半刚性薄钢-混凝土组合节点受力性能研究

STUDY ON THE MECHANICAL BEHAVIOR OFSEMI-RIGID THIN-WALLED STEEL-CONCRETECOMPOSITE JOINTS WITH PARTIAL DEPTHEND PLATES

摘要

目录

Contents

第1章 绪论

1.1薄钢-混凝土组合结构的概念和特点

1.2相关课题的研究状况

1.2.1薄钢–混凝土组合梁

1.2.2薄壁钢管混凝土柱

1.2.3薄钢-混凝土组合梁柱节点及冷弯薄壁型钢梁柱节点

1.2.4半刚性钢-混凝土组合梁柱节点

1.3薄钢-混凝土组合结构及半刚性组合梁柱节点需进一步研究的问题

1.3.1现有研究的分析

1.3.2值得进一步研究的问题

1.4课题的来源及本文的主要研究内容

第2章 薄壁设肋方钢管混凝土柱穿芯高强螺栓抗剪性能试验研究及理论分析

2.1引言

2.2试件设计与制作

2.3材性试验

2.4试验装置、测点布置

2.5试验结果与分析

2.5.1试件的破坏模式

2.5.2荷载-位移曲线及分析

2.5.3荷载-应变曲线及分析

2.6穿芯高强螺栓受剪的计算模型

2.7 穿芯高强螺栓的抗剪承载力分析

2.7.1螺栓杆周围混凝土的局部承压强度

2.7.2螺栓杆剪切破坏的承载力计算公式

2.7.3钢管混凝土柱承压破坏的承载力计算公式

2.7.4螺栓杆形成塑性铰破坏的的承载力计算公式

2.7.5理论分析和试验研究对比

2.8 穿芯高强螺栓在拉剪联合作用下受力性能的初探

2.8.1螺栓杆中的拉力对螺栓横截面塑性铰强度的影响

2.8.2螺栓杆中预拉力对螺栓横截面塑性铰强度的影响

2.8.3穿芯高强螺栓的抗拉承载力

2.8.4穿芯高强螺栓在拉剪联合作用下的承载力计算公式

2.9小结

第3章 部分高度平齐式端板半刚性薄钢-混凝土组合梁柱节点静力性能试验研究

3.1概述

3.2试件设计与制作

3.2.1试件的选取与几何尺寸

3.2.2梁柱节点试件中组合梁混凝土板的宽度

3.2.3试件的制作

3.3材性试验

3.3.1混凝土的材料力学性能

3.3.2 钢板、钢筋、高强螺栓和栓钉的材料性能

3.4试验装置和测点布置

3.4.1试验装置

3.4.2应变片的布置

3.4.3位移计的布置

3.5试验结果与分析

3.5.1试件的破坏模式

3.5.2荷载-位移曲线

3.5.3荷载-应变曲线

3.6 接近连接处组合梁横截面上的应变分布

3.7梁柱连接处组合梁横截面的抗剪承载力

3.7.1梁柱连接处钢梁和混凝土板承受的梁端剪力

3.7.2梁柱连接处混凝土板上的剪力向柱的传递

3.8 混凝土悬挑板的承载力

3.8.1混凝土悬挑板计算模型

3.8.2混凝土悬挑板的承载力计算公式

3.8.3混凝土悬挑板的设计建议

3.9小结

第4章 部分高度外伸式端板半刚性薄钢-混凝土组合梁柱节点静动力性能试验研究

4.1概述

4.2试件的设计与制作

4.3材性试验

4.4试验装置、加载制度和测点布置

4.4.1试验装置和加载制度

4.4.2应变片和位移计的布置

4.5静力试验结果与分析

4.5.1试件的破坏形态

4.5.2荷载-位移曲线及分析

4.5.3荷载-应变曲线及分析

4.6动力试验结果与分析

4.6.1试件的破坏形态

4.6.2 荷载-位移曲线

4.6.3 荷载-应变曲线

4.6.4 节点的抗震性能

4.7 节点弯矩-转角特性的影响因素

4.8 薄壁卷边工字钢梁非弹性性能及薄壁卷边工字钢-混凝土组合梁的设计建议

4.8.1 薄壁卷边工字钢梁翼缘的非弹性稳定及非弹性变形能力分析

4.8.2薄壁卷边工字钢梁卷边高度的设计建议

4.8.3薄壁卷边工字钢-混凝土组合梁的设计建议

4.9 混凝土板及组合悬挑板和柱之间的传力机理

4.9.1 EC8中混凝土板和柱之间的传力机理

4.9.2部分高度外伸式端板组合节点中混凝土板和柱之间的传力机理

4.9.3薄钢-混凝土组合悬挑板的抗剪性能

4.10 梁柱连接处混凝土板的抗剪性能

4.10.1 梁柱连接承受负弯矩时混凝土板的抗剪性能

4.10.2 梁柱连接承受正弯矩时混凝土板的抗剪性能

4.11小结

第5章 部分高度平齐式端板半刚性薄钢-混凝土组合梁柱节点有限元分析

5.1 概述

5.2 有限元模型

5.2.1关于ABAQUS

5.2.2混凝土损伤塑性本构模型

5.2.3钢材本构模型

5.2.4 模型各部分之间的相互作用

5.2.5单元的选取与有限元模型的建立

5.3 有限元计算结果的分析

5.3.1荷载-位移曲线

5.3.2试件的破坏模式分析

5.3.3节点域的受力分析

5.3.4穿芯高强螺栓的轴向力

5.4 有限元参数分析

5.4.1边柱节点混凝土板中纵向受拉钢筋锚固方法的改进

5.4.2 混凝土板中纵向受拉钢筋的面积

5.4.3混凝土板和钢梁之间的组合作用

5.4.4 部分高度平齐式端板的高度

5.4.5 穿芯高强螺栓距钢梁受压翼缘之间的距离

5.4.6 部分高度平齐式端板的厚度

5.4.7 柱轴压比

5.4.8 部分高度平齐式端板组合节点在正弯矩作用下的性能

5.5 小结

第6章 部分高度外伸式端板半刚性薄钢-混凝土组合梁柱节点有限元分析

6.1 概述

6.2 有限元模型、边界条件及求解

6.3有限元计算结果的分析

6.3.1单调荷载作用下节点的荷载-位移曲线

6.3.2往复荷载作用下节点的荷载-位移曲线

6.3.3试件的破坏模式

6.4 节点域的受力分析

6.5穿芯高强螺栓的轴向力

6.6 节点的有限元参数分析

6.6.1混凝土板中纵向钢筋的面积

6.6.2螺栓中的预拉力

6.6.3部分高度外伸式端板的厚度

6.6.4部分高度外伸式端板的高度

6.6.5穿芯高强螺栓的布置

6.7 小结

第7章 部分高度端板半刚性薄钢-混凝土组合梁柱节点弯矩-转角特性的计算公式

7.1组件法的基本思想与步骤

7.2有效组件的强度和刚度

7.2.1纵向受拉钢筋的强度和刚度

7.2.2 和柱发生相互挤压的悬挑板的强度和刚度

7.2.3 和柱发生相互挤压的混凝土板的强度和刚度

7.2.4 薄壁设肋方钢管混凝土柱横向局部抗压的强度和刚度

7.2.5 薄壁设肋方钢管混凝土柱节点域的抗剪强度和刚度

7.2.6 穿芯高强螺栓的抗拉强度和刚度

7.2.7 部分高度端板的抗弯强度和刚度

7.2.8 抗剪栓钉的强度和刚度

7.2.9 受拉翼缘、腹板及卷边的强度和刚度

7.2.10 受压翼缘、腹板及卷边的强度和刚度

7.3部分高度端板半刚性薄钢-混凝土组合梁柱节点初始转动刚度和抗弯承载力

7.3.1初始转动刚度

7.3.2 抗弯承载力

7.3.3梁柱节点按节点初始转动刚度的分类

7.4 部分高度端板半刚性薄钢-混凝土组合梁柱节点的转动能力

7.5 小结

结论

参考文献

附录

附录1部分组合柱

附录2 EC4中半刚性组合节点的弹簧模型

附录3 CJF系列节点混凝土板中钢筋的布置

附录4节点域剪切变形

附录5节点域的剪力

附录6 CJF系列节点组合横截面B上的应变分布

附录7悬挑板中纵横向钢筋的设计

附录8 CJE系列混凝土板中的钢筋布置

附录9薄钢-混凝土组合悬挑板中薄钢板上圆孔的布置

附录10 CJE系列节点组合横截面B上的应变分布

附录11 CJE6、CJE7和CJE8在负弯矩作用下纵向钢筋的应变

附录12 CJE6、CJE7和CJE8在负弯矩作用下钢梁下翼缘的压应变

附录13 CJE6、CJE7和CJE8在负弯矩作用下钢梁下翼缘卷边的应变

附录14 CJE6、CJE7和CJE8组合梁横截面A上的应变分布

附录15 CJE6、CJE7和CJE8组合横截面A上的剪应变分布

附录16 EC8[128]中混凝土板和柱之间的传力机理

附录17 FRd2的推导

附录18节点CJF3M、CJF4M和CJF5M悬挑板的几何构造

附录19节点CJF3M、CJF4M和CJF5M悬挑板中内置薄钢板的几何尺寸

附录20 CJF系列螺栓中的轴向力

附录21 CJF10和CJF11端板的几何尺寸

附录22 CJF12和CJF13端板上的螺栓孔的布置

附录23节点CJE8在正弯矩作用下节点域的受力机理

附录24 CJE12和CJE13端板的几何尺寸

附录25 CJE14和CJE15端板上的螺栓孔的布置

附录26 CJE16和CJE17端板上的螺栓孔的布置

附录27 CJE系列节点穿芯高强螺栓中的轴向力

附录28 EC4(2003)[56]中纵向受拉钢筋有效长度计算公式

附录29文献[60]中混凝土板的抗压承载力计算公式

附录30文献[86]中混凝土板的抗压承载力计算公式

附录31 EC3[95，120]中的端板和等效T形连接件

附录32外伸式端板塑性铰线的分布模式

附录33 EC4(2003)[56]和EC3(2005) [120]中的端板抗弯刚度系数的计算公式

附录34 EC4(2003)[56]中抗剪连接件的刚度计算公式

附录35钢梁腹板的受拉区计算公式

附录36 CJF1、CJF2、CJE1和CJE3的初始转动刚度

附录37边柱节点在负弯矩作用下的初始转动刚度

附录38 CJE2梁柱连接在负弯矩作用下的初始转动刚度

附录39平齐式端板组合边柱节点在正弯矩作用下的初始转动刚度

附录40外伸式端板组合边柱节点在正弯矩作用下的初始转动刚度

附录41节点初始转动刚度的比较

附录42节点CJE16P和CJE17P部分高度端板的抗弯刚度计算公式

附录43 EC4(2003)[56]连接处组合横截面上轴向力的分布

附录44节点在负弯矩作用下第一受拉行的拉力

附录45节点在负弯矩作用下第二受拉行的拉力

附录46节点在负弯矩作用下抗弯承载力

附录47节点在负弯矩作用下抗弯承载力的比较

附录48部分高度平齐式端板组合节点在正弯矩作用下抗弯承载力

附录49部分高度外神式端板组合节点在正弯矩作用下抗弯承载力

附录50 s1、t1、s2和t2的确定

附录51节点初始转动刚度的分类

攻读博士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

致 谢

个人简历