狗骨式钢结构梁柱节点的冲击荷载试验研究和有限元分析

设计采用FEMA标准过焊孔构造的2个削弱型狗骨式全焊连接的钢结构梁柱节点试件,对试件施加落锤冲击荷载来模拟结构的动态倒塌效应,考察狗骨式节点削弱程度对钢框架梁柱节点抗冲击性能的影响。通过试验获得节点试件的破坏形态及其冲击荷载和位移时程曲线,分析试件冲击过程动态响应规律以及节点动态转角和耗能能力。试验结果表明:节点试件的主要破坏形态是钢梁塑性铰截面上翼缘屈服的面外变形和腹板扭曲变形;2个节点试件均具有良好的抗冲击转动能力,其最大转角均远远超过FEMA350标准抗震设计的转角限值(θ=0.077 rad)要求;削弱型狗骨式全焊连接节点相对普通全焊接节点的耗能能力和延性均明显提高。采用ABAQUS软件建立了狗骨式梁柱节点子结构的有限元分析模型,通过分析狗骨式梁柱节点在冲击作用下内力发展规律可知,狗骨式节点设计有助于构件向悬链线效应转换。     

一种新型装配式梁柱节点抗震性能试验研究

提出一种新型装配式全栓接的方钢管柱H型梁梁柱节点。为研究节点的抗震性能,对6个1:2试件进行了拟静力试验。分析轴压比、抗弯、抗剪螺栓预拉力、槽形钢厚度、狗骨式连接等参数对节点的破坏模式、滞回性能、延性的影响。研究结果表明:在0.2~0.4范围内提高轴压比,节点的极限承载力略有降低,但耗能能力和延性均有提高;降低抗剪螺栓的预拉力,节点的极限承载力,耗能能力与延性均有降低;降低槽形钢的板厚,节点承载力微有提高,节点梁柱相对转角提高,但耗能能力降低;降低抗弯螺栓预拉力,节点的极限承载力提升,但耗能能力与延性均有降低;采用狗骨式连接,虽然梁翼缘削弱部位在加载后期出现撕裂,但节点表现出良好的延性和耗能能力以及稳定的刚度退化性能。节点层间位移延性系数μ=2~2.66,弹性层间位移角φ_y=0.0208~0.0327,弹塑性层间位移角φ_u=0.0486~0.079,梁柱相对极限塑性转角θ_u=0.05~0.087。极限荷载时等效粘滞阻尼系数h_e=0.287~0.45,试验结果表明节点具有良好的抗震性能。     

剖分T型钢梁柱连接框架中柱空间节点抗震试验研究

为研究空间剖分T型钢半刚性梁柱连接节点的抗震性能,以钢框架中柱节点为研究对象,对2个空间剖分T型钢连接节点模型,2个平面剖分T型钢连接节点模型和1个空间刚性节点模型进行了以柱端为加载模式的空间拟静力试验。通过试验现象分析了不同节点变形特性、塑性发展及破坏模式;由试验数据分析了不同节点的强度、转动刚度、滞回特性、延性系数和耗能特性。研究了空间剖分T型钢连接节点与空间刚性节点和平面剖分T型钢连接节点的受力差异性。研究成果表明:空间半刚性节点在空间荷载作用下与平面半刚性节点在平面荷载作用下具有不同的受力特性。     

隔板贯通式箱型柱-H型钢梁节点循环加载试验和破坏机理分析

对4个双折线隔板贯通式箱型中柱-H型钢梁节点和1个常规节点进行了低周往复循环加载试验,基于考虑焊接缺陷和焊接残余应力的结构钢椭球面断裂模型及偶联的椭球面屈服模型的断裂机理分析,对比研究了双折线扩大头构造对隔板贯通式箱型中柱-H型钢梁节点破坏模式、延性、承载力、刚度退化和耗能性能的影响,揭示了隔板贯通式箱型中柱-H型钢梁节点在强震时断裂和屈服的演化规律。结果显示,常规节点在几何不连续的梁翼缘对接焊缝侧边脆断,节点塑性转角约为0.02rad,达不到FEMA 要求的0.03rad。双折线扩大头型节点在隔板折线段内形成塑性铰,节点塑性转角达到0.03rad,承载力和耗能性能较常规节点分别提高10.1%~27.7%和65.5%~123.6%。双折线扩大头构造和梁翼缘对接焊缝移至远离节点区的措施,减缓了节点区的几何突变和应力集中,规避了节点区焊缝过于密集和焊接热影响区的交叉影响,防止了节点过早脆断。该文给出了双折线扩大头节点的构造设计建议。     

考虑楼板影响的外环板式梁柱节点抗震性能:试验研究

该文对采用Q390钢材制作的4个T形节点构件进行了低周反复荷载试验,研究了钢梁和混凝土楼板的组合作用对采用高性能钢的外环板式梁柱节点的刚度、承载力以及耗能能力的影响。试验结果表明:由于楼板组合作用,钢梁上翼缘的稳定性得到显著提高;采用外环板式的梁柱节点连接方式,能够有效地将塑性铰外移,避免了在节点域附近的焊缝发生撕裂;但由于楼板组合作用的影响,此种节点形式也存在节点域附近外环板处发生断裂的可能性;该试验4个构件的滞回曲线都较为饱满,表现出较好的耗能能力和延性性能,在塑性点时,无楼板作用的试件的粘滞阻尼系数略高于有楼板作用的试件的粘滞阻尼系数;在层间位移角达到0.05 rad时,各试件的粘滞阻尼系数趋于一致。     

带Z字形悬臂梁段拼接的装配式钢框架节点抗震性能试验研究

提出一种适用于装配式钢结构的带Z字形悬臂梁段拼接的梁柱节点。以滑移耗能的理念设计了基础试件,通过关键参数的变化得到六组试件。对六组试件进行了低周往复荷载作用下的试验研究,对节点的破坏模式和拼接区的滑移情况进行了分析,获得了节点的滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、转动能力以及刚度退化等抗震性能。结果表明:带Z字形悬臂梁段拼接的梁柱节点属于半刚性连接节点,节点变形性能良好。节点能有效利用拼接区摩擦面滑移、螺栓和孔壁挤压以及板件屈服实现耗能。适当减少翼缘高强螺栓数目能有效提高节点延性性能和塑性转动能力。翼缘和腹板螺孔开大孔和使用三角形垂直加劲肋对节点的耗能能力和承载能力影响很小。     

钢框架梁端翼缘板式加强型节点力学性能试验研究

钢框架梁端翼缘板式加强型节点是梁柱改良抗震节点的一种形式,这种节点包括翼缘板加强型及盖板加强型节点两种类型.为了研究这两种连接形式的延性及抗震性能,设计制作了4个缩尺比例为1/2的梁柱T型试件,研究了节点试件在循环荷载作用下的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、极限荷载、最大塑性转角、延性性能等,作为比较,还进行了1个传统栓...     

带LYP160钢连接组件的扩翼型盖板连接节点抗震行为研究

为在新型城镇化进程中推广使用带有震后可更换构件的结构体系,对钢框架体系中带低屈服点LYP160钢材盖板连接组件的节点进行梁柱连接部位扩大梁翼缘截面的改进,提高节点承载能力及“保险丝”作用效果。采用通用有限元软件ABAQUS建立全螺栓连接节点数值模型,结合国内外典型试验结果,验证数值模型的准确性和适用性。通过建立不同扩翼程度、不同削弱程度的盖板连接节点模型,对比其承载性能、滞回性能、断裂性能以及耗能能力等,深入探讨不同扩翼程度对不同削弱程度的扩翼型盖板连接节点抗震行为的影响,并给出此类节点的设计流程,为工程应用提供参考依据。研究结果表明:扩大梁端翼缘截面可增加盖板连接组件耗能,减少主体结构进入塑性程度及耗能比例,有效转移塑性铰位置,提高节点“保险丝”作用效果及作用时间;随着扩翼程度的增大,节点所需的承载力系数设计值提高,使节点避免过度削弱,兼顾正常使用承载能力及可更换“保险丝”作用,但当扩翼达到一定程度后,对盖板连接组件耗能比例的提高作用有限;基于计算结果拟合得到节点承载力系数限值与扩翼系数的关系曲线,为保证“保险丝”作用充分发挥,应保证承载力系数设计值小于承载力系数限值,扩翼型节点的承载力系数限值比未扩翼型节点提高22%,实现对节点进行较小削弱就能充分发挥“保险丝”作用效果的目标。     

矩形钢管混凝土柱-H形钢梁外顶板式节点抗震性能试验研究

针对钢结构住宅建筑中柱子宽度日趋减小的趋势,提出了柱内无隔板的矩形钢管混凝土柱-H形钢梁外顶板式节点。对7个新型节点试件进行拟静力试验,变化参数有钢梁截面、顶板厚度和顶板长边高度。试验主要研究了节点的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、承载力、刚度退化、强度退化、延性和耗能能力等抗震性能。试验结果表明:外顶板式节点共有梁翼缘受拉破坏、梁翼缘与顶板连接焊缝破坏、顶板与柱连接处的柱壁破坏三种破坏模式。节点延性系数为2.17~3.67,等效粘滞阻尼系数在0.2~0.3之间,极限位移角平均值为1/49,节点抗震性能满足“强节点弱构件”要求。增大外顶板的厚度或长边高度可提高节点承载力,钢梁翼缘、翼缘和顶板连接焊缝或柱壁的过早开裂会降低节点延性和耗能能力。最后提出在验算柱壁和连接焊缝极限承载力时,节点连接系数应取1.4;另外可采取梁端翼缘加强或削弱措施,以保证外顶板式节点具有足够的塑性变形能力。     

圆弧扩大头狗骨隔板贯通方钢管混凝土柱-H形钢梁节点抗震性能分析

对圆弧扩大头狗骨隔板贯通方钢管混凝土中柱-H形钢梁节点和常规节点进行了循环加载试验,对比研究了圆弧扩大头狗骨隔板对方钢管混凝土柱-H形钢梁节点抗震性能的影响,对节点试验试件进行了基于结构钢椭球面断裂模型和屈服模型的强震灾变分析。结果表明,隔板贯通方钢管混凝土中柱-H形钢梁节点起裂于梁腹板工艺孔处,节点域核心区混凝土形成"斜压短柱"效应,直至节点破坏时,核心混凝土未发生压碎或拉裂破坏。常规节点脆断于几何变化剧烈、应力高度集中的梁翼缘对接焊缝边缘,节点塑性转角约为0.016 rad。圆弧扩大头狗骨隔板构造消除了梁翼缘对接焊缝处的几何突变,促使塑性铰形成于远离节点区的梁削弱截面。圆弧扩大头狗骨节点的塑性转角可达到0.033 rad~0.041 rad,耗能性能和承载力较常规节点分别提高72%~86%和下降9.6%~12.6%。     

PEC柱-异形钢梁框架中节点抗震性能试验研究

为研究PEC柱（partially encased concrete composite column）-型钢梁框架中节点破坏特征及抗震性能,完成了3个PEC柱-型钢梁中节点及1个钢框架梁柱中节点对比试件的低周往复加载试验。分析了试件中节点的破坏形态、滞回耗能、承载能力、延性性能、强度退化、刚度退化、节点域力学机理,研究了轴压比及梁截面变化对该类中节点抗震性能的影响。研究结果表明:PEC柱-型钢梁中节点滞回曲线呈纺锤形,具有钢框架节点的力学特性;型钢柱内部填充混凝土后试件初始刚度、承载力分别提升约40%、31.1%,且试件仍具有较好的延性性能及耗能能力;当轴压比试验值为0.25~0.35时,随着轴压比增加,试件承载力显著增加,延性性能有所下降,耗能能力则有所提升;试件均为梁弯曲破坏,损伤程度无明显变化。改变柱一侧梁的截面尺寸后,试件的承载能力、延性性能有一定提升,耗能能力、强度及刚度退化规律无明显影响,但PEC柱-变截面型钢梁中节点发生节点核心区剪切破坏,主要原因为改变柱一侧梁截面高度后,造成节点域输入剪力增大所致。按常规节点设计的变截面梁中节点不能满足"强节点弱构件"的抗震设计要求,在进行工程设计时应予以重视。     

钢框架梁腹板开孔型连接节点力学性能试验研究

钢框架梁柱节点的连接性能研究引起国内外的广泛关注,尤其是通过改善节点的变形性能从而提高结构的延性已成为钢结构研究的焦点。依据“强柱弱梁”的抗震设计原则,按照控制塑性铰位置的思路,对梁腹板上开孔的节点形式进行了反复荷载历程下的五个试件试验研究,探讨了梁柱节点区域内截面应力分布规律、滞回性能、节点破坏模式及极限承载能力,并利用ANSYS进行详细计算和对比分析。此外,通过一个单跨框架结构利用ABAQUS有限元程序计算分析,初步探讨了不同塑性铰位置对结构延性的影响。理论计算及试验结果表明,合理采用此类节点,可以使节点破坏模式从脆性破坏转变为梁的局部屈曲破坏,降低连接焊缝脆性破坏的可能性,达到了控制塑性铰位置的目的,从而改善框架结构的整体延性。     

型钢混凝土异形柱框架空间受力性能分析

为研究型钢混凝土异形柱框架的空间受力性能,对一个五层的双向两跨空间框架模型进行了低周反复加载试验,得到了空间框架的破坏形态及滞回曲线和骨架曲线,分析了其延性、位移角、刚度、耗能等抗震性能指标。基于此,采用OpenSees建立了空间框架的有限元模型,计算结果与试验结果吻合较好,进而对空间框架的破坏机制和协同工作机制进行了探讨,并分析了不同加载角下轴压比和柱肢长宽比对空间框架受力性能的影响。研究结果表明:型钢混凝土异形柱空间框架的梁端先于柱端发生破坏,节点损伤相对轻微,边框架的破坏程度比中框架严重;出铰顺序呈现为从梁端到柱端、从低层到高层、从中榀到边榀的发展规律;空间框架的滞回曲线基本对称且较为饱满,具有较好的延性及较强的耗能能力和抗倒塌能力,受力性能优于没有连接的独立框架;随着加载角的增大,空间框架的承载能力和耗能能力显著提高,初始刚度略微增大,延性先变好后变差;在相同加载角下,随着轴压比增大,空间框架的承载能力、延性和耗能能力均降低,初始刚度先增大后减小;随着柱肢长宽比增大,空间框架的承载能力、初始刚度和耗能能力均提高,延性变差。     

钢框架装配式再生混凝土墙结构抗震性能试验研究

为研究钢框架内填预制再生混凝土墙结构的抗震性能,对3榀单层单跨1∶3缩尺的模型试件进行了拟静力试验。通过对钢框架是否设置预制墙板及不同梁柱节点连接形式的对比,深入分析了钢框架内填预制再生混凝土墙结构的破坏形态、传力机理、承载力、延性及耗能能力等指标。结果表明:设置预制再生混凝土墙板后,结构的承载力和抗侧刚度明显提高,与纯框架相比,极限承载力提高1.44倍,抗侧刚度提高了3倍;结构位移延性系数在2.81~2.86,预制墙板的设置略微降低了结构的延性;当层间位移角为1/50时,结构承载力退化系数仍大于0.90,表明该结构具有较高的安全储备;两种梁柱连接节点下峰值荷载仅相差4%,说明梁柱节点刚度对结构承载力的影响很小;从破坏形态看,两试件均在预埋件与墙板连接处形成水平贯通裂缝,发生剪切破坏,设计中预埋件的连接构造应引起足够重视。     

钢管混凝土组合结构全螺栓隔板贯通节点的抗震性能试验研究

该文以方形钢管混凝土柱-H型钢梁全螺栓隔板贯通连接节点为研究对象,以梁偏心为参数,进行了2个足尺的节点试件SJ1和SJ2的低周往复荷载试验,研究了该类型节点的破坏机理与抗震性能。通过试验数据处理与分析得出了该节点类型的破坏机理、滞回曲线、骨架曲线、延性系数、耗能能力及刚度变化规律;通过隔板应变分析验证了试件的破坏机理。试验结果表明:该类型节点具有很好的抗震性能,节点承载力高,滞回曲线饱满,延性系数较大,耗能能力强等特点;主要变形发生在梁端塑性铰区域,隔板与柱连接处容易出现应力集中现象。两组节点在设计时均考虑了抗震设计要求,破坏形式基本相同,以隔板端部梁翼缘及腹板屈曲破坏为主,但由于SJ2梁存在偏心,在荷载作用下节点下隔板与柱连接处被撕裂。     

型钢混凝土L形柱空间角节点抗震性能分析

为研究型钢混凝土L形柱空间角节点的抗震性能,对8个节点试件进行低周反复荷载试验和有限元模拟,二者结果吻合较好。基于此考虑了柱配钢形式、轴压比和加载角度3个变化参数,通过ABAQUS非线性有限元模拟,分析了变化参数对其峰值荷载、耗能和延性的影响规律,并提出可供工程设计参考的建议。研究结果表明,型钢混凝土L形柱空间角节点破坏形态以剪切斜压和弯曲破坏为主,扭转伴随黏结破坏为辅;实腹配钢试件综合抗震性能最好,其峰值荷载较空腹配钢试件提高了10%;随轴压比的增加,不同配钢形式试件的位移延性下降程度不同,实腹配钢试件下降缓慢,建议轴压比限值设计值为0.5;45°加载角度以内,随着加载角度的增加,峰值荷载增加,耗能和延性逐渐降低,45°加载试件与0°平面节点相比,峰值荷载提高了约30%,延性系数降低约10%,最不利加载方向为0°加载。