应用于新型耗能节点的简化三折线恢复力模型

摘要

本发明提供一种应用于新型耗能节点的简化三折线恢复力模型，包括以下步骤：确定节点的耗能板的参数；根据节点的构造和得到的特征值参数，计算节点的弹性刚度和弹性极限转角；根据回归分析结果输入拐点转角与弹性极限转角的系数关系，从而得到屈服转角、峰值转角和极限转角值；令屈服前刚度等于弹性刚度，得到屈服弯矩；输入峰值弯矩的拟合公式和极限弯矩；确定节点的屈服刚度和下降刚度；根据以上特征值确定节点的恢复力模型。本发明有效简化了新型耗能节点的骨架模型，并推导出其应用于不同尺寸下同类节点的刚度和各特征点参数，有利于该耗能节点的进一步推广使用。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程领域，具体是一种应用于新型耗能节点的简化三折线恢复力模型。

背景技术

目前，土木工程行业以混凝土、钢筋、砌块等高耗能建筑材料为主，不仅消耗了大量的能源和自然资源，而且破坏土地并排放出很多工业废气、粉尘，对有限的自然环境造成了巨大压力。

作为一个新型节能、生态环保、高性能、低成本的新型建筑材料，工程竹材料剔除或均匀分散了原竹材料的缺陷，减小了材料的变异性，提高了其可靠性。但是由于竹木材料自身蠕变较大，在长期荷载作用下竖向受力构件将产生很大的变形，并产生很大内力，这在一定程度上限制了竹木结构在高层建筑的应用。本文提出了以中钢-工程竹组合框架结构，通过钢柱-木梁的结构形式一方面可以有效解决竹木结构中竖向受力构件蠕变过大的问题，另一方面充分发挥了胶合竹材节能环保、自重小的优点。

钢柱和木梁的连接通过设计的新型耗能节点进行连接，如图2所示，耗能节点由底板、肋板、耗能板、抗剪螺栓、抗剪键构成。耗能板与肋板通过角焊缝连接；肋板与抗剪键通过高强螺栓连接；底板与耗能板及抗剪键通过角焊缝进行连接，其中耗能板主要用于传递弯矩和耗能，抗剪键用于传递剪力。竹梁与节点肋板、钢柱与节点底板均通过螺栓进行连接。在已有的新型耗能节点水平低周往复荷载试验数据的基础上提出了可以推广应用到不同尺寸耗能节点的三折线恢复力模型。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，本发明提供一种应用于新型耗能节点的简化三折线恢复力模型。

技术方案：本发明的一种应用于新型耗能节点的简化三折线恢复力模型，包括以下步骤：

S1：确定节点的耗能板宽度b、耗能板长度l、耗能板厚度t和两块耗能板的间距h，以及钢材弹性模量E、屈服强度f_y和极限强度f_u；

S2：根据节点的构造和步骤S1得到的特征值参数，计算节点的弹性刚度和弹性极限转角；

S3：根据回归分析结果输入拐点转角与弹性极限转角的系数关系，从而得到屈服转角、峰值转角和极限转角值；

S4：令屈服前刚度等于弹性刚度，得到屈服弯矩；

S5：根据有限元模拟拟合结果，输入峰值弯矩的拟合公式和极限弯矩；

S6：通过S3、S4、和S5中得到的峰值转角、极限转角、峰值弯矩和极限弯矩的计算公式确定节点的屈服刚度和下降刚度；

S7：根据以上特征值确定节点的恢复力模型。

进一步地，步骤S2中，根据节点的受力模型，得到节点的弹性屈服弯矩M_E和初始抗弯刚度K_E分别如式(1)和(2)中所示：

M_E＝f_ybt(h+t)(1)

式(2)中，Δ_yield为节点屈服时耗能板时的位移；

当节点在弹性范围内工作时，此时耗能板的位移用式(3)表示：

Δ＝σl/E(3)

式(3)中σ为耗能板的应力，l为耗能板长度，E为耗能板的弹性模量；

当达到耗能板的屈服强度即可得到Δ_yield＝f_yl/E，将其带入式(1)和(2)得到弹性极限转角θ_E和初始抗弯刚度K_E：

进一步地，步骤S3中，通过已有试验数据的回归分析，确定屈服转角θ_y与弹性转角θ_E的比值α₁、峰值转角θ_p与弹性转角θ_E的比值α₂、极限转角θ_u与弹性转角

θ_E的比值α₃，可得θ_y＝α₁θ_E＝0.85θ_E；θ_p＝α₂θ_E＝2.07θ_E；θ_u＝α₃θ_E＝2.91θ_E。

进一步地，步骤S4中，令K₁＝K_E，得到：

M_y＝K₁θ_y＝0.85K_Eθ_E(6)。

进一步地，步骤S5中，通过有限元模拟拟合结果，得到峰值弯矩M_p的拟合公式和极限弯矩M_u：

M_p＝ξf_ubt(h+t)

M_u＝0.85M_p

其中λ＝l/t，ξ为峰值弯矩与全截面屈服弯矩的比值。

进一步地，通过步骤S3、S4和S5中得到的峰值转角、极限转角、峰值弯矩和极限弯矩的计算公式确定节点的屈服刚度和下降刚度：

K₁＝K_E

进一步地，根据步骤S1-S6得到的三个特征值点(θ_y，M_y)，(θ_p，M_p)和(θ_u，M_u)，结合原点确定节点的三折线恢复力模型如图3所示。表达式如下所示：

有益效果：本发明具有以下有益效果：

本发明有效简化了新型耗能节点的骨架模型，并推导出其应用于不同尺寸下同类节点的刚度和各特征点参数，有利于该耗能节点的进一步推广使用。

附图说明

图1为本发明中构建简化三折线恢复力模型方法的流程图；

图2为新型耗能节点的结构示意图；

图3为本发明中恢复力模型示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。

如图1所示，本发明的一种应用于新型耗能节点的简化三折线恢复力模型，包括以下步骤：

S1：确定节点的耗能板宽度b、耗能板长度l、耗能板厚度t和两块耗能板的间距h，以及钢材弹性模量E、屈服强度f_y和极限强度f_u；

S2：根据节点的构造和步骤S1得到的特征值参数，计算节点的弹性刚度和弹性极限转角；

S3：根据回归分析结果输入拐点转角与弹性极限转角的系数关系，从而得到屈服转角、峰值转角和极限转角值；

S4：令屈服前刚度等于弹性刚度，得到屈服弯矩；

S5：根据有限元模拟拟合结果，可以输入峰值弯矩的拟合公式和极限弯矩；

S6：通过S3、S4、和S5中得到的峰值转角、极限转角、峰值弯矩和极限弯矩的计算公式确定节点的屈服刚度和下降刚度；

S7：根据以上特征值确定新型耗能节点的恢复力模型。

步骤S2中，根据节点的受力模型，得到节点的弹性屈服弯矩M_E和初始抗弯刚度K_E分别如式(1)和(2)中所示：

M_E＝f_ybt(h+t)(1)

式(2)中，Δ_yield为节点屈服时耗能板时的位移；

当节点在弹性范围内工作时，此时耗能板的位移用式(3)表示：

Δ＝σl/E(3)

式(3)中σ为耗能板的应力，l为耗能板长度，E为耗能板的弹性模量；

当达到耗能板的屈服强度即可得到Δ_yield＝f_yl/E，将其带入式(1)和(2)得到弹性极限转角θ_E和初始抗弯刚度K_E：

步骤S3中，通过已有试验数据的回归分析，确定屈服转角θ_y与弹性转角θ_E的比值α₁、峰值转角θ_p与弹性转角θ_E的比值α₂、极限转角θ_u与弹性转角θ_E的比值α₃，可得θ_y＝α₁θ_E＝0.85θ_E；θ_p＝α₂θ_E＝2.07θ_E；θ_u＝α₃θ_E＝2.91θ_E。

步骤S4中，令K₁＝K_E，得到：

M_y＝K₁θ_y＝0.85K_Eθ_E(6)。

步骤S5中，通过有限元模拟拟合结果，得到峰值弯矩M_p的拟合公式和极限弯矩M_u：

M_p＝ξf_ubt(h+t)

M_u＝0.85M_p

其中λ＝l/t，ξ为峰值弯矩与全截面屈服弯矩的比值。

通过步骤S3、S4和S5中得到的峰值转角、极限转角、峰值弯矩和极限弯矩的计算公式确定节点的屈服刚度和下降刚度：

K₁＝K_E

根据步骤S1-S6得到的三个特征值点(θ_y，M_y)，(θ_p，M_p)和(θ_u，M_u)，结合原点确定节点的三折线恢复力模型如图3所示。表达式如下所示：