方钢管柱-H型钢梁装配式外套筒连接节点抗震性能研究

摘要

装配式钢结构具有重量轻、强度高、抗震性能优越、施工速度快、工业化程度高的优点。在钢框架结构中，梁柱节点对结构承载力和抗震性能具有重要影响。本文提出了一种新型方钢管柱-H型钢梁装配式外套筒连接节点，采用理论分析、试验研究和有限元分析相结合的方法，对该新型节点的抗震性能进行了深入研究。 （1）设计制作了3个十字型外套筒连接节点试件，进行低周反复加载拟静力试验。试验研究表明：①钢梁焊接型外套筒连接节点具有良好的抗震耗能能力；随外套筒壁厚增大，节点抗震耗能能力提高，满足“强节点、弱构件”抗震设计原则。钢梁焊接型外套筒连接节点的等效粘滞阻尼系数和等效耗能系数均大于钢梁螺栓连接型外套筒连接节点的相应系数。由于高强螺栓滑移及外伸端板过早屈服，钢梁螺栓连接型外套筒连接节点与钢梁焊接型外套筒连接节点相比，抗震耗能能力有所降低。②所有试件的延性系数均大于3.0，表明外套筒连接节点具有较强塑性变形能力，满足《抗震规范》的要求。节点延性随外套筒壁厚的增加而降低。③试件的初始转动刚度随外套筒壁厚增大而提高，试件ST-1W的初始转动刚度比试件ST-2W的初始转动刚度增大约19%。所有试件在极限承载力下降到85%之前，节点转角均超过美国抗震规范所要求的0.035rad, 表明外套筒连接节点具有较大的转动能力，能够满足“强节点”和“大震不倒”的抗震要求。④梁柱采用高强对拉螺栓连接会产生“对拉效应”，使节点具有较大的转动能力，但过于显著的“对拉效应”，使节点产生滑移、滞回环产生“捏缩”，节点抗震耗能能力降低。 （2）针对试验试件进行了非线性有限元数值分析，从破坏现象、滞回曲线、骨架曲线、弯矩-转角曲线、刚度退化曲线和抗震性能指标等方面与试验结果进行对比分析。有限元数值分析结果与试验结果吻合较好，证明应用该方法研究外套筒连接节点的力学性能具有可行性和有效性。 （3）通过非线性有限元数值分析方法，进行参数化建模，研究节点在单调加载时表现出来的静力性能。根据分析结果研究外套筒壁厚、高强对拉螺栓直径、外伸端板厚度等节点参数对节点破坏形态、屈服承载力、极限承载力、初始转动刚度等性能的影响规律。研究表明：在一定范围内节点抗弯承载力随外套筒壁厚增大而提高，外套筒壁厚每增加2mm，抗弯承载力提高约14%。随外套筒壁厚增大，节点延性降低；随外套筒壁厚增大，节点初始转动刚度增大。当节点的屈服由外套筒壁和柱壁屈服控制时，随高强对拉螺栓直径的增大，节点极限承载力和延性基本不变，节点的初始转动刚度基本不变。当外伸端板厚度较小时，节点的屈服由外伸端板控制，节点抗弯承载力随外伸端板厚度的增大而提高；当外伸端板厚度超过一定值时，节点的屈服由外套筒壁和柱壁屈服控制，此时增加外伸端板厚度对节点抗弯承载力和转动刚度基本无影响。 （4）通过试验应变分析和有限元应力路径分析，研究节点的屈服机制。钢梁焊接型外套筒连接节点的屈服顺序为：钢梁翼缘屈服、外套筒及柱壁受压屈服，节点屈服后外伸端板纵向受压屈服、高强对拉螺栓屈服。采用钢梁螺栓连接型外套筒连接节点，会导致外伸端板早于外套筒屈服。 （5）基于屈服线理论，通过分析方钢管柱-H型钢梁装配式外套筒连接节点的传力机理，建立外套筒连接节点的外套筒壁、柱壁的抗拉承载力公式和外伸端板抗拉承载力公式，进而建立节点抗弯承载力计算模型和理论计算公式。节点抗弯承载力理论计算值与试验值、有限元模拟值吻合较好，证明节点抗弯承载力理论计算公式具有合理性，可为装配式钢结构的设计与工程应用提供参考。

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摘 要

第1章 绪论

1.1引言

1.2方钢管柱-H型钢梁连接节点研究现状及存在问题

1.2.1 国内外方钢管柱-H型钢梁连接节点研究现状

1.2.2 方钢管柱-H型钢梁节点存在问题

1.3 方钢管柱-H型钢梁装配式外套筒连接节点的提出

1.3.1 装配式钢结构节点的基本要求

1.3.2 方钢管柱-H型钢梁装配式外套筒连接节点构造及施工

1.4 研究内容

第2章 外套筒节点静力性能有限元数值分析

2.1 有限元软件选取

2.2 非线性有限元方程建立

2.2.1 非线性问题的分类及求解

2.2.2 屈服准则

2.2.3 单元刚度矩阵

2.3 有限元节点建模

2.3.1 实体模型的建立

2.3.2 单元选用

2.3.3 材料本构关系及强化模型

2.3.4 网格划分

2.3.5 边界模拟及加载制度

2.3.6 分析类型及求解设置

2.4 外套筒壁厚对节点破坏模式及承载力的影响

2.4.1 节点破坏模式

2.4.2 弯矩-转角曲线

2.5 高强对拉螺栓直径对节点破坏模式及承载力的影响

2.5.1 节点破坏模式

2.5.2 弯矩-转角曲线

2.6 外伸端板厚度对节点破坏模式及承载力的影响

2.6.1 节点破坏模式

2.6.2 弯矩-转角曲线

2.7 钢梁与组件连接方式对节点破坏模式及承载力的影响

2.7.1 节点破坏模式

2.7.2 弯矩-转角曲线

2.8 节点各参数变化对节点屈服抗弯承载力的影响

2.9 本章小结

第3章 外套筒节点抗震性能试验研

3.1 试验目的

3.2 试件设计

3.3 试验概况

3.3.1 材性试验

3.3.2 加载装置

3.3.3 加载制度

3.3.4 量测方案

3.4 试验现象及破坏形态

3.4.1 试件ST-1W的试验现象及破坏形态

3.4.2 试件ST-2W的试验现象及破坏形态

3.4.3 试件ST-3W的试验现象及破坏形态

3.5 节点抗震性能分析

3.5.1 试件荷载-位移曲线

3.5.2 荷载-位移骨架曲线

3.5.3 延性

3.5.4 弯矩-转角曲线

3.5.5 构件耗能

3.5.6 刚度退化

3.6 节点应变分析

3.7 弯矩-转角恢复力模型

3.7.1 骨架曲线模型

3.7.2 滞回环模型

3.8 本章小结

第4章 外套筒节点抗震性能有限元数

4.1 有限元模型建立

4.2 有限元与试验结果对比

4.2.1 有限元与试验破坏形态对比

4.2.2 荷载-位移滞回曲线对比

4.2.3 荷载-位移骨架曲线对比

4.2.4 弯矩-转角骨架曲线对比

4.2.5 刚度退化曲线对比

4.2.6 抗震性能指标对比

4.3 有限元应力路径分析

4.4 本章小结

第5章 外套筒节点抗弯承载力理论分析

5.1 屈服线理论

5.2 节点受力机理分析

5.3 节点屈服抗拉承载力理论分析

5.3.1 高强对拉螺栓屈服抗拉承载力

5.3.2 外套筒壁、柱壁屈服抗拉承载力

5.3.3 外伸端板屈服抗拉承载力

5.4 外套筒连接节点抗弯承载力计算

5.4.1 节点抗弯承载力计算模型

5.4.2 节点抗弯承载力理论计算公

5.4.3 节点抗弯承载力理论值与试验、有限元模拟值对比

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 主要创新点

6.3 展望

参考文献

创 新 点 摘 要

攻读博士学位期间发表的学术论文及科研工作

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