钢管腹板削弱型梁柱弱轴连接的抗震性能影响因素分析

在节点域箱形加强式工字形梁柱弱轴连接和钢管腹板削弱型(tubular web reduced beam section,TW-RBS)连接的基本形式上,提出了一种工字形柱与H形梁的钢管腹板削弱型弱轴(weak axis tubular web reduced beam section,WA-TW-RBS)连接。设计了3个系列共14个WA-TW-RBS弱轴连接节点的对比分析模型,采用有限元软件Abaqus对钢管的直径、厚度以及钢管中心距蒙皮板外边缘的距离进行了变参数分析,研究这些参数的变化对节点滞回性能、刚度退化、节点延性和塑性转动能力的影响。研究结果表明:在上述参数合理的取值范围内,WA-TW-RBS连接节点的延性系数能达到3.0以上,节点的塑性转动能力不小于0.03rad,并且能有效地实现塑性铰外移,是一种非常理想的钢框架抗震节点形式。所有模型在分析时,钢柱和节点域都处于弹性阶段,满足"强柱弱梁"和"强节点弱构件"的抗震设计理念。     

安装管束腹板削弱型梁柱刚性连接节点抗震性能分析

介绍了一种安装管束腹板削弱新型梁柱刚性连接节点。利用有限元软件ANSYS 14.0对试验进行模拟,结果表明,数值模拟结果与试验结果吻合良好;分析了管束腹板中心至梁翼缘表面的距离、管束腹板管径和管束腹板管壁厚度对节点抗震性能的影响。分析表明:各系列安装管束腹板削弱型节点试件与普通节点试件的滞回曲线均饱满无捏拢,具有较好的滞回性能。安装管束腹板削弱型试件的承载力和初始刚度均小于普通节点试件,但是安装管束腹板削弱型试件都能够迫使塑性铰远离梁柱连接焊缝处。管束腹板中心至柱翼缘的距离、管束腹板管径和管束腹板管壁厚度均影响新型节点试件的承载力、延性和耗能能力。     

节点域箱形弱轴连接腹板开孔全焊型节点滞回性能影响因素分析

利用ABAQUS有限元软件对节点域箱型弱轴连接腹板开孔全焊型节点进行有限元变参数分析,通过设计一系列的试件,研究梁腹板开孔位置、梁腹板开孔半径、蒙皮板高度和厚度等因素的变化对节点域箱型弱轴连接腹板开孔全焊型节点滞回性能的影响。研究结果表明:开孔位置和开孔半径应合理取值,建议开孔位置(孔中心到柱蒙皮板的距离)的取值范围:0.86hf≤B≤1.43hf,其中hf为梁腹板高度,开孔半径的取值范围:0.24hf≤R≤0.33hf;蒙皮板高度对节点的滞回曲线及骨架曲线影响较小,综合施工方便及焊缝热影响效应等因素,建议蒙皮板高度最小值取为60 mm,最大值取为200 mm,蒙皮板厚度宜不小于柱翼缘厚度。     

箱形节点域DRBS型弱轴连接抗震性能有限元分析

为了研究箱形节点域翼缘双削弱(double reduced beam section,DRBS)工字形柱弱轴连接节点的抗震性能,设计了两个系列模型。应用有限元软件Abaqus对第2个削弱区段的长度和深度的取值进行了研究,分析了节点的破坏形式、等效塑性应变、承载力、延性、塑性转动能力及耗能系数等,并与箱形节点域翼缘削弱(reduced beam section,RBS)型弱轴连接节点进行了对比分析。结果表明:在循环荷载作用下,在第2个削弱区段的削弱长度等于第1个削弱区段长度且第2个削弱区段的削弱深度取值宜略大于美国FEMA-350规范推荐的上限值时,箱形节点域DRBS型节点具有良好的抗震性能。与RBS型节点相比,DRBS型节点的承载力降低不明显,但是显著降低了最大等效塑性应变,提高了节点的延性和塑性转动能力。此外,DRBS型节点减缓了梁腹板和翼缘的局部屈曲的发生,从而提高了节点的累积耗能能力。     

H形梁-柱弱轴角钢折形腹板连接的抗震性能分析

为了研究箱形节点域的H形柱钢框架梁柱弱轴角钢折形腹板连接的抗震性能,参考梁柱强轴连接的削弱参数,共设计了9个等肢角钢折形腹板弱轴连接系列试件和1个传统平腹板弱轴连接试件。利用有限元软件ABAQUS对折形腹板节点在循环荷载作用下的受力性能进行模拟分析,研究了角钢折形腹板节点的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线及塑性转动能力。研究结果表明,在循环荷载作用下,节点屈服以前,削弱参数对节点的滞回曲线影响不大;节点屈服之后,削弱参数对节点的滞回曲线、骨架曲线有一定的影响。研究结果还表明,角钢折形腹板弱轴连接节点的滞回性能、承载力、塑性变形能力均优于传统平腹板弱轴连接节点,滞回环更加稳定饱满,塑性转动能力提高了18.3%,延性系数均大于4.0。满足抗震规范要求,能够达到"强节点,弱构件"的设计理念。     

不同构造形式节点域箱形加强式工字形柱弱轴连接削弱型节点抗震性能分析

首先采用ABAQUS有限元软件,结合国内已通过试验验证的节点域箱形加强式工字形柱弱轴连接以及已有的焊接节点试验,验证了有限元模拟的有效性。在通过有限元软件ABAQUS模拟几种不同构造形式的削弱型节点,并与标准型节点在单调荷载作用下的承载力、循环荷载作用下的滞回曲线、骨架曲线、强度与刚度退化曲线、断裂指数等方面进行了对比分析,研究结果表明:节点域箱形加强式工字形柱弱轴连接节点局部削弱可以改善节点的破坏形态,实现塑性铰的外移,防止节点脆性断裂;当采用节点域箱形加强式工字形柱弱轴连接的节点形式,由于弱轴方向本身抗侧刚度较大,同时考虑建筑功能要求、抗震效果及经济性等指标,弱轴方向宜采用削弱型节点,其中腹板开孔型节点承载力及刚度没有过多的下降,且滞回曲线饱满,耗能性能及延性较好。而狗骨削弱型节点存在侧向失稳的问题,因此建议节点域箱形加强式工字形柱弱轴连接削弱型节点应采用腹板开孔型节点。     

钢管加强梁腹板开孔型梁柱弱轴连接节点的抗震性能研究

为解决梁腹板开孔型梁柱弱轴连接节点抗剪承载力不足以及全焊型节点在地震作用下焊缝脆性断裂的问题,提出了一种钢管加强梁腹板开孔型梁柱弱轴连接形式。利用ABAQUS有限元软件对该节点连接形式进行了数值模拟分析,详细研究了不同参数对节点抗震能力的影响。结果表明:在合理参数取值范围内,钢管加强梁腹板开孔型梁柱弱轴连接节点在低周反复荷载作用下能够使塑性铰远离梁端,在节点域和柱位置未发生塑性变形。加强钢管厚度越大节点抗剪承载力越高,节点耗能系数越小;腹板开孔半径越大承载力越低,节点耗能系数越大;节点位移延性系数随加强钢管厚度和腹板开孔半径的增大先增加后降低;开孔距离主要对塑性铰产生位置有较大影响,开孔距离较大或者较小时,钢梁塑性铰均出现在梁端根部,不满足设计要求;给出了加强钢管厚度、腹板开孔半径、开孔距离合理建议取值,为实际工程提供参考。     

节点域箱型弱轴连接全焊加强型节点抗震性能分析

为了更全面地对比分析节点域箱型弱轴连接不同局部加强型节点的抗震性能,以及局部构造对节点的抗震性能及破坏形态的影响。采用有限元软件ABAQUS建立多种不同局部加强型节点有限元模型,并将不同局部加强型节点与标准型节点在承载能力、滞回性能、刚度、断裂指数、退化性能、破坏形态及塑性铰形成位置等方面进行对比分析,同时结合国内节点域箱形弱轴连接研究课题组的试验和已有的焊接节点试验,验证了有限元模拟的准确性。研究结果表明:节点域箱型弱轴连接节点局部构造形式可以改善节点的破坏形态,实现塑性铰的外移,防止节点脆性断裂;采用节点域箱型弱轴连接的节点形式,同时考虑抗震及经济性等指标,腋板加强型节点承载力及刚度有较大的提高且滞回曲线饱满,耗能性能及延性也较好。因此建议节点域箱型弱轴连接的节点应采用腋板加强型节点。     

加强与削弱并用型工字形柱弱轴连接节点滞回性能分析

为了减小钢框架梁柱弱轴连接中柱腹板上的应力水平,提出了在梁端加过渡竖板的方式以使得柱翼缘更好地参与受力。同时为了使塑性铰不出现在梁柱连接焊缝处,对梁翼缘进行削弱处理,最终提出了一种新型的梁端加强与削弱并用的梁柱弱轴连接(SWWC)形式,并运用有限元软件ABAQUS对已有的RBS型工字形柱弱轴连接节点的试验进行模拟验证后,对此类节点进行循环荷载作用下的受力性能分析。结果表明:在梁端加过渡竖板可以明显降低节点域的Mises应力水平,使得梁截面的屈曲主要集中在竖向板的外侧;在梁端加过渡竖板的同时对梁翼缘进行削弱处理可以使塑性铰外移;随着削弱深度c的增加,节点的承载力逐渐降低,RBS削弱处的屈曲发展得越充分,削弱起始位置至梁端的距离a和削弱区域的长度b对节点的承载力影响会很小,随着参数a或b的增加,梁上塑性铰中心逐渐远离梁翼缘焊缝处;建议削弱参数c=0.17bf,a取值范围为0.65bf～0.70bf,b=0.75hb,其中bf和hb分别为梁翼缘宽度和梁截面高度。     

梁柱弱轴连接翼缘削弱型节点的滞回性能研究

针对钢框架梁柱弱轴连接翼缘削弱型节点的滞回性能和骨架曲线,参照梁柱强轴连接的削弱参数,设计了梁柱弱轴连接翼缘削弱型节点系列试件,应用有限元软件ANSYS研究了削弱区中心至柱中心线距离、削弱宽度以及削弱深度对节点滞回性能的影响。研究结果表明:在往复荷载作用下,节点屈服以前,模型的削弱参数对节点的骨架曲线影响不大;节点屈服以后,削弱参数对节点的屈服荷载和极限承载力的影响比较明显,其中削弱部位的深度对骨架曲线的影响最大,削弱区中心至柱中心线距离对骨架曲线的影响次之,削弱部位长度对骨架曲线的影响最小。研究还表明强轴连接的削弱参数不能完全适用于弱轴连接节点,并给出了梁柱弱轴连接削弱参数的取值范围。     

梁端加腋型异型节点弱轴连接的抗震性能有限元分析

针对钢结构中通常存在异型节点的实际情况,基于目前对钢结构弱轴连接的研究成果,应用ABAQUS 6.11对钢结构异型节点的弱轴连接形式进行分析。分析在柱端位移循环荷载作用下,梁端加腋型异型节点弱轴连接形式的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、能量耗散系数、刚度退化曲线、承载力及延性系数等,并与标准异型节点进行对比。结果表明:相比于标准异型节点,加腋型异型节点的承载力提高10.35%,初始刚度提高6.83%,能耗系数提高约12.07%,但位移延性降低27.48%,承载力得到提高的同时,大幅度的延性下降会增加脆断发生的可能性。     

H型钢柱弱轴连接组合节点抗震性能试验研究

为研究H型钢柱弱轴连接组合节点的抗震性能,采用柱顶加载模式完成了5个栓焊混合连接的不同构造形式的足尺十字形节点的循环加载试验,对各试件的试验现象、滞回曲线、延性、耗能及楼板滑移进行了分析。结果表明：焊接质量是避免节点脆性破坏的首要保证;各试件的层间位移角均达到了0.04rad,其中有4个试件的梁端对应弯矩大于0.8Mp,满足美国AISC的要求;加腋型组合节点试件破坏形式为柱屈曲,滞回曲线饱满,其余各试件由于梁下翼缘焊缝不同程度的破坏,腹板连接螺栓出现滑移,滞回曲线呈现反S形,但梁上翼缘焊缝均保持完好,故负弯矩作用下的延性优于正弯矩作用下的;各试件能量耗散系数随着位移的增加而逐渐增大;当抗剪连接度达到50%时,在整个加载过程中栓钉均保持完好,且楼板与钢梁的相对滑移基本不足1mm,可忽略不计,说明采用部分抗剪连接对所给出的节点形式具有可行性。     

波折腹板钢梁柱弱轴半刚性连接性能研究

为研究波折腹板钢梁柱弱轴半刚性连接的性能,采用有限元软件ANSYS建立三维实体有限元模型,对连接进行加载模拟,得到弯矩-转角曲线、最大荷载时的节点区位移和von Mises应力云图、端板及节点附近柱腹板应变和变形,分析连接的受力性能。讨论了梁腹板高度、端板厚度和螺栓直径对弯矩-转角曲线的影响。研究结果表明:与梁受拉翼缘连接处的端板及与节点区域柱上加劲肋附近的腹板变形是梁柱产生相对转动的主要因素;梁腹板高度对连接的初始转动刚度及抗弯承载力有显著的影响;当板厚度与螺栓直径较小时,端板厚度与螺栓直径的变化对节点连接性能有较大的影响;随着外荷载的增加,弯矩-转角曲线由线性特征转为非线性。     

安装阻尼器的削弱型梁柱刚性连接节点抗震性能分析

介绍了一种在梁腹板及下翼缘开孔,并在翼缘开孔处安装摩擦阻尼器的新型节点。利用有限元软件ANSYS分析了铝合金滑动板与梁下翼缘之间的摩擦系数、开孔宽度、开孔距柱翼缘距离和开孔高度等参数变化对新型节点抗震性能的影响,并对各系列新型节点试件与传统节点试件的抗震性能进行了分析比较。分析结果表明:各系列新型节点试件与传统节点试件的滞回曲线都比较饱满,表现出了较好的滞回性能。但各系列新型节点试件的延性及耗能能力要远远优于传统节点试件,且各系列新型节点试件都能够迫使塑性铰远离节点区,而出现在开孔处。摩擦系数和开孔宽度会影响新型节点试件的承载力,而开孔宽度和开孔高度则会影响新型节点试件的延性及耗能能力。     

翼缘削弱断面梁与箱形加强式工字形柱弱轴连接节点的抗震性能分析

为研究翼缘削弱断面(RBS)梁与箱形加强式工字形柱弱轴连接异型节点的抗震性能,建立了1个RBS型节点模型和1个标准型节点模型,运用有限元软件ABAQUS进行循环荷载作用下的有限元分析。通过对比分析两个模型的破坏形态、应力分布、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线、承载力、延性系数和耗能性能等,研究表明:RBS型异型节点具有很好的延性、耗能能力和抗震性能等,满足抗震设计中强柱弱梁、强节点弱构件的要求。     

钢梁柱弱轴双腹板底角钢连接受力性能研究

钢框架梁柱弱轴双腹板底角钢连接是一种典型的半刚性连接,为研究此种半刚性连接的受力性能,引用欧洲规范Eurocode3采用的组件法来计算各纯钢连接的初始刚度,再计算出各组件的极限承载能力,并选取最小值作为连接的极限承载力。以Lima的试验为基础,建立有限元分析模型,模型的几何尺寸、材料特性、摩擦系数等几何参数均与试验相同。结果表明,理论计算结果、模拟结果与试验结果较吻合。弱轴双腹板底角钢连接具有良好的变形能力和一定的抗弯能力。     

扩大圆弧形焊接孔对工字形柱弱轴连接节点抗震性能的影响分析

为了研究扩大圆弧形焊接孔对工字形柱弱轴连接节点的抗震性能,建立了1个标准扩大圆弧形焊接孔节点和5个焊接孔长度不同的扩大圆弧形焊接孔节点模型,应用有限元软件ABAQUS对这些节点进行了循环荷载作用下的力学性能分析,研究了节点的破坏形态、梁翼缘焊缝的应力分布、滞回性能、延性性能和耗能能力。研究结果表明,扩大圆弧形焊接孔节点能有效地降低梁翼缘焊缝处的应力水平,焊接孔长度在65～75 mm时,焊缝应力至少降低25.28%,焊接孔区段梁翼缘发生屈曲而形成塑性铰,而且延性系数均大于3.0,从而满足了"强节点弱构件"的抗震设计要求。     

顶底角钢加强式梁柱弱轴连接节点的抗震性能分析

提出了一种顶底角钢加强式梁柱弱轴连接的节点形式,并基于ABAQUS有限元分析平台,建立了新型弱轴连接的常规节点及顶底角钢加强型节点两个试件。通过梁端低周循环加载的方式得到其P-Δ滞回曲线及骨架曲线,并通过计算得到位移延性系数、能量耗散系数、等效粘滞阻尼系数等节点参数,将两个试件的受力性能进行对比分析。研究结果表明顶底角钢加强型节点较常规的梁柱连接节点能有效地使梁端塑性铰外移,避免节点区域以及柱子的破坏,实现了"强柱弱梁、强节点弱构件"的抗震理念,另一方面顶底角钢加强型节点有效地提高了梁柱连接的节点承载能力、位移延性以及耗能性能,说明该种连接具有更好的抗震性能。     

梁柱弱轴连接腹板开两半圆孔型节点的滞回性能分析

提出了一种钢框架梁柱弱轴连接梁腹板开两半圆孔型节点(简称TSCV),首先运用有限元软件ABAQUS对已有的削弱型梁柱弱轴连接节点试验进行模拟分析,验证了有限元建模方法的有效性,然后对TSCV节点进行了系列参数分析,主要考虑的参数包括两个半圆孔之间未削弱的高度H、开孔中心距离柱翼缘边缘的距离L,及开孔半径R。结果表明:TSCV系列加载点的荷载-位移滞回曲线均呈饱满的梭形,该类型节点具有良好的耗能性能;改变该类型节点的3个关键参数对其初始刚度基本没有影响;随着H的增大,节点的承载能力逐渐小幅提高,梁截面的屈曲变形位置逐渐向梁柱连接处靠近;随着L的增大,节点的承载能力基本没有变化,塑性铰逐渐由梁柱连接处外移,当L达到一定值时,靠近梁柱连接处的梁翼缘也出现屈曲变形;随着R的增大,节点的承载能力逐渐减小,屈曲变形逐渐由梁柱连接处向削弱处发展;综合其受力性能和塑性应变分布,建议H取为0.25hbw,L取为(1.14~1.31)hb,R取为(0.35~0.38)hbw,hb和hbw分别为钢梁高度和梁腹板高度。