冷弯方钢管柱-H型钢梁不同外隔板形式节点拟静力试验研究

摘要

经济飞速发展今天，人们对能源的需求越来越大，发展绿色钢结构有助于建设资源节约型社会和环境友好型社会。近年来，钢结构住宅层出不穷，方钢管柱各向同性的特性得以很好体现，复杂、大跨度空间钢结构建筑越来越受到人们的青睐。
　　在社会形势下，本文提出了冷弯方钢管柱-钢梁外隔板加强型节点，这是一种新型延性设计的节点，柱子采用冷弯方钢管柱，梁柱采用传统翼缘板式连接方式，梁端上、下翼缘与盖板（外隔板）焊接;外隔板起到保护梁柱连接焊缝和迫使塑性铰外移的目的。
　　本文通过试验研究与有限元分析相结合的方式，系统研究了冷弯方钢管柱-钢梁外隔板加强型节点的破坏机制、承载力变化、刚度退化、变形能力、耗能能力以及应力变化规律等，为新型外隔板加强型节点的设计、工程应用提供参考和以后更深一步的研究奠定理论基础。本文主要研究工作如下:
　　(1)本文共设计了4个缩尺比例为1/2的冷弯方钢管柱-钢梁外隔板加强型节点，以外隔板形式为控制参数。通过拟静力试验研究，研究了试验现象及塑性铰形成过程，并绘制了节点的柱端剪力-位移关系曲线、弯矩-转角(M-θ)关系曲线、骨架曲线、刚度退化曲线等，并结合外隔板、梁翼缘以及节点核心区应变规律，分析外隔板形式对节点的抗震性能的影响。试验结果表明:4种外隔板形式的试件在梁端形成塑性铰，柱子、核心区及外隔板均没有产生明显的变形;圆弧式外隔板加强型节点传力平稳，其综合性能优于其他外隔板形式的节点，建议工程上优先采用圆弧式外隔板加强型节点。
　　(2)利用有限元分析软件ABAQUS对4种冷弯方钢管柱-钢梁外隔板加强型节点进行数值模拟，并将计算结果与试验结果从破坏形态、承载力变化、应力传递、等效粘滞阻尼系数等方面进行对比分析。结果表明计算结果与试验结果有较好的一致性，验证了有限元软件ABAQUS分析冷弯方钢管柱-钢梁外隔板加强型节点的可靠性与准确性。
　　(3)在此基础上，通过改变轴压比对圆弧式外隔板节点JD-4做了进一步研究，结果发现轴压比增加节点破坏形态依次为梁铰破坏→节点核心区破坏→柱铰破坏。轴压比增加，柱翼缘应力相应增加;柱端位移增加，P-△效应对节点影响亦越来越大;柱子在二者联合作用下突然压垮、稳定性降低并很快丧失承载力，破坏时节点塑性变形小，建议工程应用时要严格控制轴压比。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 冷弯钢结构的特点和发展

1．2．1 冷弯钢结构的特点

1．2．2 冷弯钢结构的发展

1．3 钢框架节点的研究现状

1．3．1 传统钢框架结构钢梁加强型节点形式

1．3．2 冷弯方钢管柱-钢梁节点国内研究现状

1．3．3 冷弯方钢管柱-钢梁节点国外研究现状

1．4 冷弯方钢管柱-H型钢粱外隔板加强型节点演变历程

1．5 本文主要研究内容

第2章 冷弯方钢管柱-H型钢梁外隔板加强型节点拟静力试验设计

2．1 抗震试验流程

2．2 不同外隔板形式梁柱节点尺寸设计

2．2．1 试件整体尺寸及细部构造

2．2．2 节点设计原理

2．2．3 外隔板节点细部参数

2．2．4 节点细部尺寸

2．3 连接焊缝设计

2．3．1 焊缝形式

2．3．2 焊缝承载力验算

2．3．3 试件焊接

2．4 钢材力学性能试验

2．4．1 钢材拉伸试验

2．4．2 钢材弹性模量测定

2．5 试验加载装置和加载制度

2．5．1 试验加载制度

2．5．1 试验加载装置

2．6 试验观测项目

2．7 本章小结

第3章 冷弯方钢管柱-H型钢梁外隔板加强型节点拟静力试验现象及结果分析

3．1 试验过程安排

3．2 节点试验过程现象及结果分析

3．2．1 试件JD-1试验现象及结果分析

3．2．2 试件JD-2试验现象及结果分析

3．2．3 试件JD-3试验现象及结果分析

3．2．4 试件JD-4试验现象及结果分析

3．3 节点的滞回性能

3．3．1 层间剪力-位移滞回性篚

3．3．2 节点弯矩-转角滞回性能

3．3．3 核心区弯矩-剪切角滞回性能

3．3．4 节点核心区剪力-应变关系曲线

3．4 节点承载力分析

3．5 节点的延性性能及层间位移角限制

3．5．1 节点延性性能

3．6 节点刚度退化和耗能能力

3．6．1 刚度退化

3．6．2 耗能能力

3．7 应变规律分析

3．7．1 外隔板及梁翼缘应变规律

3．7．2 柱翼缘应变规律

3．7．3 核心区应变规律

3．8 本章小节

第4章 冷弯方钢管柱-H型钢梁外隔板加强型节点有限元对比分析及轴压比对其破坏形式的影响

4．1 有限元软件ABAQUS基本分析过程

4．2 冷弯方钢管柱-H型钢梁外隔板加强型节点模型建立

4．2．1 结构的非线性分析

4．2．2 单元类型及网格划分

4．2．3 接触处理及边界条件模拟

4．3 有限元计算结果及分析

4．3．1 破坏形态及塑性铰发展对比分析

4．3．2 滞回曲线及耗能分析

4．3．3 外隔板应力传递分析

4．4 轴压比对节点破坏形式的影响

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 展望

附录

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文及专利

攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢