十字形钢管混凝土柱-H形钢梁框架节点抗震性能研究

为了研究十字形钢管混凝土柱-H形钢梁框架中节点的抗震性能和破坏机理,进行了6个缩尺比为1∶2的节点拟静力试验。观察节点的损伤过程及破坏模式,分析柱端荷载-位移滞回曲线、节点核心区剪力-剪切变形曲线、层间位移角组成、耗能能力及应力分布。采用ABAQUS软件建立钢管混凝土异形柱-H形钢梁框架节点的有限元分析模型,分析结果与试验结果吻合良好,并对节点核心区受剪承载力和节点刚度进行参数分析。研究结果表明：节点的滞回曲线饱满,延性系数介于2.63～4.45之间,等效黏滞阻尼系数介于0.202～0.241之间,节点域的变形和耗能能力较强;建立的有限元分析模型可用于模拟节点的抗震性能,有限元参数分析结果表明增加节点区钢管厚度可以明显提高核心区受剪承载力,增加竖向肋板尺寸可以有效提高节点刚度。为保证竖向肋板节点达到刚性节点要求,建议柱钢板宽厚比不大于30;竖向肋板翼缘外高度、翼缘内高度以及竖向肋板与梁翼缘连接长度分别不应小于梁翼缘宽度的30%、15%和150%;竖向肋板厚度不应小于梁翼缘厚度。     

Experimental study on seismic behavior of angle connection joints for concrete-filled square steel tubular column to steel beam

为了研究地震作用下方钢管混凝土柱-钢梁角钢连接节点的受力性能,设计了3个梁柱节点试件并对其进行低周往复循环荷载试验,分析了角钢短肢长肢比和角钢厚度对试件的刚度、承载力、耗能能力、延性性能及节点域剪切变形的影响。试验结果表明：角钢连接的塑性铰出现在角钢与柱壁相接触部位,往复荷载下最终破坏形态为角钢与柱壁焊接部位出现角钢撕裂现象,通过增加角钢短肢长肢比和增加角钢厚度可以将塑性铰外移,使角钢与柱壁相接触部位的撕裂程度减轻,从而有效保护节点核心区。增加角钢的厚度对节点的初始刚度及承载力影响明显,随着角钢厚度的增加,节点的初始刚度和承载力随之增加;增加角钢短肢长肢比能够提高节点的耗能能力和刚度。该节点具有较高的承载力、刚度及较大的变形能力,符合抗震设计理念。     

复式钢管混凝土柱与H形钢梁连接节点抗震性能试验研究

借鉴方钢管混凝土柱-钢梁外肋环板节点形式,将非梁柱连接面的柱两侧外肋环板改为竖贴于柱侧的竖向肋板并伸出与梁翼缘焊接,同时设置锚固腹板,形成复式钢管混凝土柱与H形钢梁连接节点。通过7个梁柱组合体试件的低周反复荷载试验,分析各试件的破坏过程及特征,并对试件的滞回性能、承载力、延性、耗能能力和承载力及刚度退化等抗震性能进行研究。研究结果表明：节点的破坏形态基本相同,梁端先屈曲,形成塑性铰;锚固腹板可有效提高节点的承载力和变形能力;竖向肋板外伸长度可提高试件的初始刚度,使梁端塑性铰外移,有效保护节点核心区;试件的滞回曲线呈明显的梭形,具有良好的承载力、延性及耗能能力;试件在整个加载过程中刚度退化现象明显,承载力退化很小,可应用于抗震设防地区。     

矩形钢管混凝土柱-H型钢梁节点抗震性能试验研究及有限元分析

以天津泰达广场CBD工程A、B区超高层项目为背景,进行了不同连接方法的6个足尺矩形钢管混凝土柱-H型钢梁节点试件拟静力试验,分析了试件的破坏特征、承载力、延性、耗能能力、刚度退化、强度退化等性能。结果表明：在保证焊接及安装质量的前提下不同连接方法节点均具有较高的承载力及良好的抗震性能;在梁翼缘两侧焊接加强板有利于节点承载力的提高,矩形钢管中填充混凝土有利于减小节点核心区的剪切变形,提高节点的强度及刚度。利用ANSYS 10.0软件对试件在循环荷载作用下的滞回性能进行非线性模拟计算,并将理论分析结果与试验结果进行对比。对比结果表明,非线性有限元分析得出荷载-位移曲线与试验结果吻合较好,矩形钢管混凝土柱-H型钢梁节点均具有良好的耗能能力。     

钢管混凝土异形柱与U形钢-混凝土组合梁穿心式连接抗震性能试验研究

为研究异形钢管混凝土柱与U形钢-混凝土组合梁穿心式连接的破坏特征和抗震性能,进行了3个足尺边节点试件低周反复循环加载试验,试验参数为节点域构造和轴压比,考察了试件的受力过程及破坏特征,分析了节点的荷载-位移滞回曲线、承载力、刚度和强度退化性能、耗能能力以及延性等力学指标。研究表明：该类型连接的典型破坏形态为节点域钢管柱壁鼓屈、节点域连接槽钢拉裂和组合楼板压溃;试件的滞回曲线较饱满;3个试件的层间位移延性系数μ为1.43~2.02,弹性层间位移角θy为1/62~1/48,弹塑性层间位移角θu为1/39~1/30,等效黏滞阻尼系数ξeq为0.140~0.170,节点的变形能力较好,也具有一定耗能能力;梁底布置贯穿节点域的钢筋能提高节点正向的承载力和刚度;提高轴压比可以提高该类型节点的耗能能力。     

T形钢管混凝土柱-工字钢梁框架顶层边节点抗震性能试验研究

选择T形截面钢管混凝土异形柱-工字钢梁框架顶层边节点为研究对象,按1∶2的缩尺比例设计并制作3个“弱节点”模型和1个“强节点”模型,通过施加恒定轴压比的竖向荷载和低周往复水平荷载,对节点模型进行加载破坏试验,观察节点模型的受力过程和破坏形态,得到水平荷载-柱端位移滞回曲线和骨架曲线,分析节点荷载特征值、延性、耗能以及刚度退化等。试验结果和分析表明：弱节点试件破坏形态主要为节点核心区在剪压复合应力作用下的剪切破坏,随轴压比增大,试件受剪承载力提高,但其延性和耗能能力有所下降;强节点试件破坏形态为钢梁的局部屈曲破坏,节点区基本完好,滞回曲线饱满,延性系数为3.89;合理地设计钢管混凝土异形柱-钢梁框架边节点,可满足抗震延性要求,实现“强柱弱梁,节点更强”的抗震设计目标。     

十字形钢管混凝土柱框架中节点抗震性能试验研究

以十字形截面钢管混凝土异形柱-钢梁框架中柱节点为研究对象,按1∶2比例设计了4个弱节点和强节点模型,通过施加恒定轴压比的竖向荷载和低周反复水平荷载,对节点模型进行了加载破坏试验。试验结果表明:弱节点试件破坏形态为节点核心区剪切破坏,随轴压比增大,试件受剪承载力提高,但其延性性能降低;强节点试件破坏形态为梁端受弯破坏,破坏前经历了较大的塑性变形,延性系数达到了5.65。由此可见,合理地设计钢管混凝土异形柱-钢梁框架中节点,可保证其延性破坏,实现"强柱弱梁,节点更强"的设计原则,满足抗震性能要求。     

矩形钢管混凝土异形柱-钢梁框架节点抗震性能试验研究

为研究矩形钢管混凝土异形柱-钢梁框架节点的破坏特征和抗震性能, 进行了5个中节点、2个边节点和2个角节点的低周反复加载试验。观察了节点的受力过程及破坏形态, 分析了试件的荷载-位移滞回曲线、承载能力、强度和刚度退化、层间位移角和延性以及耗能能力等力学特性。结果表明: 矩形钢管混凝土异形柱-钢梁框架节点的典型破坏形态是节点域腹板的剪切破坏、节点核心区腹板与柱翼缘连接的竖向焊缝断裂; 试件滞回曲线饱满,层间位移延性系数介于1.44~2.74,弹塑性极限层间位移角约为1/43~1/21;等效黏滞阻尼系数介于0.227~0.316,表明节点域的变形和耗能能力较强。当柱截面肢高肢厚比为3、4时,破坏时节点核心区的剪切角约为0.01~0.03;当柱截面肢高肢厚比为2时,破坏时节点核心区的剪切角约为0.08~0.10。     

斜向受力十字形钢管混凝土柱抗震性能试验研究

为研究十字形钢管混凝土柱在斜向受力下的抗震性能,以加载角度(0°和45°)、混凝土强度等级(C50和C70)、轴压比(0、0.25和0.5)以及是否设置加劲肋为试验参数,进行了9根十字形钢管混凝土柱在往复荷载作用下的试验研究,获得了柱的破坏形态、水平荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、延性、累积耗能、变形等特性,分析了不同参数对柱抗震性能的影响规律。并建立了十字形钢管混凝土柱的有限元模型,有限元分析结果与试验结果吻合良好。试验结果表明:十字形钢管混凝土柱具有较好的滞回性能,所有柱的位移延性系数均高于3.5;轴压比对十字形钢管混凝土柱的抗震性能影响较大,轴压比越大,柱承载力越低,刚度退化越快,延性和耗能能力也越差;随着混凝土强度的增加,柱承载力增加,轴压比较大时,混凝土强度越高,延性下降越明显;内部间断焊接加劲肋的柱比未设置加劲肋柱的承载力提高约8%,但延性和耗能能力提高不大;加载角度为45°柱的滞回性能稍优于0°的柱。     

大直径钢管混凝土柱-H形钢梁节点设计研究

在传统内环板节点的基础上,提出一种适用于大直径钢管混凝土柱的梁柱节点。为了避免内环板宽度过大造成混凝土浇筑困难、用钢量较大的问题,在内环板焊接拉结钢筋,既可以减小钢材用量又便于在钢管柱内设置钢筋笼。为避免与钢梁翼缘焊接处的钢管表面发生层状撕裂,局部加大梁端翼缘宽度,并通过分析合理确定梁端扩翼宽度与扩翼角度。采用非线性有限元软件,对节点构造与应力分布、变形性能的关系进行分析。通过对比分析得到梁端的刚域长度,并对刚域长度与框架梁抗弯刚度的关系进行研究。为了验证该类节点设计的合理性,进行钢管混凝土柱-H形钢梁缩尺模型试验。有限元分析与缩尺模型试验结果表明,节点拉结钢筋可以提高内环板传力的有效性,有效减小节点区柱壁应力,当梁端扩翼宽度为1.5倍梁翼缘宽度、扩翼角度为1∶6时,节点区柱壁应力明显低于H形钢梁的应力,满足“强节点弱构件”的抗震设计理念。节点刚度对钢管混凝土柱-H形钢梁框架结构的侧向刚度影响显著,当梁端刚域长度约为钢柱直径的0.4倍时,框架梁的抗弯刚度可增加40%以上。节点抗震性能良好,可以实现“强节点弱构件”的抗震设计理念。     

外加强环不等高H型钢梁-方钢管柱节点抗震性能试验研究

通过对7个外加强环不等高H型钢梁-方钢管柱节点进行低周循环往复加载试验,研究节点域受剪承载力、滞回性能、变形能力和破坏模式。研究结果表明：试件的破坏形式有两种,分别为整体节点域的剪切破坏和局部节点域的剪切破坏;梁截面高度比和柱截面宽厚比是影响试件节点域承载力和剪切变形的主要因素;与此同时,随梁截面高度比和柱截面宽厚比的增加,节点域的耗能能力逐步增强;外加强环几何构造对节点域承载力和剪切变形也有一定影响,在框架柱端部弯矩增大系数较低的情况下,外加强环几何尺寸的增加对节点耗能能力有提高作用;节点域进入塑性阶段之前,各试件节点域的承载力无明显退化,从屈服到最终破坏,节点域承载力出现显著退化,承载力退化系数在0.89~0.96之间。不等高梁外加强环节点具有较好的变形能力和耗能能力,所有试件处于极限状态时的等效黏滞阻尼系数均在0.30～0.58之间。     

壁式钢管混凝土柱抗震性能试验研究

通过3个截面高宽比为3.0的壁式钢管混凝土柱足尺试件在高轴压比下的低周反复加载试验和有限元分析,研究壁式钢管混凝土柱的破坏模式、滞回行为、承载能力、变形性能和能量耗散能力。结果表明：试件的破坏模式为压弯破坏,破坏区域钢板受压鼓曲、钢管纵向焊缝涨裂、混凝土压溃;试件滞回曲线稳定饱满,无明显捏拢现象;纵向隔板能够约束钢管壁板平面外变形,提高钢板局部屈曲强度;试件破坏时位移延性系数大于3.0,等效黏滞阻尼系数大于0.4,减小钢管壁板宽厚比可有效增加试件耗能能力。设计轴压比为0.54～0.69时,壁式钢管混凝土柱屈服位移角大于0.005rad,极限位移角大于0.02rad,具有良好的变形性能和耗能能力。建立的精细有限元模型可准确预测壁式钢管混凝土柱在恒定轴力和反复水平力下的滞回行为。有限元分析表明,轴压比对壁式钢管混凝土柱的极限位移影响显著,提高含钢率可有效增加其承载力和变形性能。     

Hysteretic behavior of encased CFST column bases

通过4个外包式钢管混凝土柱脚试件的低周往复荷载试验和ABAQUS有限元模拟,研究了圆形截面钢管混凝土柱脚外包钢筋混凝土和钢管混凝土构造及外包高度对柱脚的滞回性能影响。研究表明：外包高度为2.5D（D为钢管混凝土柱直径）的试件承载能力较外包高度为1.8D的试件高,但延性和耗能能力差。外包段采用钢管混凝土（即加设方形外包钢板）,因外包段顶部的塑性变形而破坏,能明显提高柱脚的受弯承载力,但其延性相较于采用钢筋混凝土包裹的柱脚会有所降低。通过有限元模拟构件抗震性能发现,有限元模拟结果与试验结果吻合较好。     

预制混凝土管组合柱-钢梁连接节点抗震性能试验研究

为研究预制混凝土管组合柱-钢梁连接节点的抗震性能,以轴压比、钢套箍延伸高度、芯部混凝土强度以及钢套箍厚度为主要参数,进行了6个1/2缩尺节点的拟静力试验。研究了各节点的破坏形态、滞回特性、承载能力、耗能能力以及节点域受剪性能。试验结果表明：各节点主要破坏模式均为节点域剪切破坏;滞回曲线呈典型弓形,耗能能力较好;芯部混凝土强度和钢套箍厚度是影响节点抗震性能的关键参数,对承载能力和耗能性能影响较大;破坏时节点域极限剪切变形介于0.0482 ~0.100 rad之间;节点域受剪承载力降低系数介于0.86~1.00之间,承载力退化性能稳定。建立了预制混凝土管组合柱-钢梁连接节点受剪承载力计算式,计算值与试验值吻合较好且偏于安全。     

方钢管混凝土柱-外包U形钢混凝土组合梁节点抗震性能试验研究

为了研究外包U形钢混凝土组合梁和方钢管混凝土柱连接节点的抗震性能,进行了5个外包U形钢-混凝土组合梁与方钢管混凝土柱连接节点的拟静力试验,包括2个外环板节点和3个内隔板节点。通过研究节点试件破坏模式、滞回曲线、骨架曲线和核心区剪切变形等,进一步分析节点试件的承载能力、延性和耗能能力等抗震性能。研究表明：节点试件加载过程中经历了由弹性、弹塑性到塑性的发展过程;核心区混凝土密实节点试件的滞回曲线更为饱满,延性较好,耗能能力强;外环板节点试件延性要优于内隔板节点试件,耗能能力更强;核心区混凝土不密实的内隔板节点试件具有良好的延性,但承载力显著降低,施工中应严格控制核心区混凝土的浇筑质量,或者在节点核心区采用厚度较大的钢板来提高其延性和承载力。     

装配式异形柱节点抗震性能试验研究

为了研究新型装配式异形柱节点的抗震性能,更好地推广新节点应用于实际工程,设计制作并进行了2组异形柱节点的拟静力试验。通过观察4个试件的裂缝开展破坏过程,分析每个试件位移、刚度、强度和耗能等抗震指标。结果表明:装配边柱节点与现浇节点的破坏过程和类型基本一致,而两个中柱节点的破坏过程及类型有明显区别;纵筋采用直螺纹套筒和灌浆套筒连接均能够有效传递双向应力,实现钢筋与混凝土的有效传力;叠合板滑移影响装配节点承载力;装配节点的刚度比现浇节点稍低,但因较早屈服,破损位移相近,延性变形优于现浇节点,能够满足基于性能设计的框架结构层间位移角限值2%(生命安全(LS)性能)要求。     

往复荷载作用下钢管混凝土叠合柱-钢梁连接节点力学性能研究

建立了钢管混凝土叠合柱-钢梁连接节点在往复荷载作用下力学性能分析的有限元计算模型。利用平面与空间连接节点试验结果,对建立的数值模型进行验证。采用有限元模型分析不同空间双向加载方式对钢管混凝土叠合柱-钢梁空间连接节点力学性能的影响规律,研究该类组合节点在往复荷载作用下荷载(P)-位移(Δ)关系全过程受力机理与核心区剪力分配机制,并从承载力及刚度等方面对比平面与空间连接节点的性能。研究结果表明,不同加载方式对节点的承载力有明显影响。相比平面节点,钢管混凝土叠合柱-钢梁空间连接节点在双向往复荷载作用下正、负向承载力分别降低约14%和18%。     

大直径钢管混凝土柱抗震性能试验研究及承载力计算

为研究径厚比对大直径钢管混凝土柱抗震性能的影响,进行了2个直径600mm圆钢管混凝土柱试件在恒定轴向压力和水平往复荷载作用下的加载试验,对比分析了不同径厚比(分别为37.5、50.0)试件的破坏形态、滞回特性、钢管应变发展规律以及核心配筋的受力情况。试验结果表明：大直径钢管混凝土柱在压弯荷载作用下,滞回曲线非常饱满,耗能性能优越,均表现出良好的变形能力。随着试件径厚比加大,最大位移角与等效阻尼比均略有减小。柱根部混凝土压溃、钢管鼓曲主要发生在支座底板与下部第一排栓钉之间,栓钉对管壁面外变形具有明显的约束作用;当径厚比较小时,钢管管壁对混凝土的约束作用较强,残余变形较小。核心纵向钢筋基本处于弹性状态,箍筋未屈服,对内部混凝土的约束作用较小,但钢筋与混凝土之间存在明显的滑移现象。大直径钢管混凝土压弯构件的受弯承载力试验值显著高于按照我国现行相关规范、规程公式得到的计算值,说明采用我国现行相关技术规范中的承载力计算公式进行大直径钢管混凝土柱设计,结果偏于安全。     

钢管混凝土叠合柱-钢筋混凝土梁外加强环节点抗震性能试验研究

针对实际工程设计中的钢管混凝土叠合柱-钢筋混凝土梁外加强环节点,对其进行抗震性能试验研究。以3个不同外加强环形式的平面中节点的低周反复荷载试验为基础,结合有限元分析,对节点的承载力、刚度、延性、耗能能力、变形性能以及外加强环的应变分布规律进行分析。研究结果表明：不同外加强环形式的试件在梁端往复荷载作用下的破坏过程和破坏模式基本一致,试件的整体滞回性能和承载力、刚度退化规律也很相近,外加强环应变分布规律基本相同,均具有良好的承载力、延性及耗能能力。基于研究结果,对采用外加强环的钢管混凝土叠合柱-钢筋混凝土梁节点的构造措施提出了建议。     

方钢管混凝土柱-钢梁双侧板贯穿式节点抗震性能试验研究

双侧板贯穿式节点是基于钢管混凝土柱横向受力特点而提出的一种新型梁柱连接节点。对6组17个十字形节点进行静力和拟静力试验研究,分析节点核心区的受力特点及抗震性能,结果表明:塑性铰均发生在穿心板外的钢梁上,调整竖向穿心板长度可以控制塑性铰发生的位置;双侧板贯穿式节点可有效地减缓钢梁上翼缘与钢管柱连接处的应力和应变梯度,减小节点核心区所受剪力,削减梁柱连接焊缝应力峰值,从而提高结构体系的耗能能力;所有节点试件的滞回曲线饱满,强度和刚度退化不明显,延性好,耗能能力强;不同类型和尺寸竖向穿心板的节点试件整体抗震性能差别不大。研究成果可供矩形钢管混凝土组合结构抗震设计参考,丰富钢管混凝土柱-钢梁节点的类型,促进钢管混凝土组合结构在工程中的进一步推广应用。