CCTV新台址主楼外筒“米”形节点滞回性能数值研究

在中央电视台(CCTV)新台址主楼外筒米形节点试验研究的基础上,建立了两种试验节点的有限元模型,分析了它们在反复荷载作用下的受力性能与破坏机理,并与试验结果进行了对比分析;数值分析中考察了支撑荷载偏心对节点承载力及滞回性能的影响;提出了考虑层间位移影响的框架-节点计算模型,研究了节点承载力及滞回性能。通过比较框架-节点模型的有限元计算结果与试验模型的试验结果,观察及评估了楼层层间位移对节点承载力及滞回性能的影响,其结论可用于对已有试验进行补充;研究了包含多个节点的双层框架有限元模型,考察了各节点在结构中共同受力时的承载性能及破坏模式,该分析将有助于综合评价结构外筒体系的抗侧承载性能。全面的有限元分析结果作为对节点试验的扩充,同样可以作为CCTV新台址主楼钢结构工程施工图审查及项目实施的依据。     

CCTV新台址主楼外筒关键节点设计与构造

CCTV新台址主楼采用支撑筒体结构体系,外筒蝶形节点以及柱脚节点是其中的关键性节点。本文通过对蝶型节点的有限元分析,提出此类节点简化的设计方法,保证了在支撑构件屈服时,蝶型节点能基本保持弹性,满足"强节点、弱杆件"的结构抗震要求。通过与节点模型试验结果的比较,验证了这一设计方法的正确性。由于塔楼双向倾斜,且在结构高位有连体结构,造成部分外筒SRC柱柱脚在竖向荷载作用下出现拉力,与水平荷载作用下拉力叠加后进一步增大。由于水平荷载作用方向的不确定性,柱脚也可能承受较大的压力。根据柱脚受拉程度的不同,结构设计中分别采用了露出外包式、埋入式两种不同的柱脚构造形式,并在外包式柱脚中采用了高强预应力锚栓来平衡柱脚的拉力。     

方钢管混凝土K型节点滞回性能试验研究

对1个方钢管K型节点试件和主管填充混凝土的6个K型方钢管节点试件进行拟静力试验,以研究支管尺寸、支管间隙等参数对方钢管混凝土K型节点破坏模式和延性的影响,并与K型方钢管节点试件进行对比。主管填充混凝土的K型方钢管节点的破坏模式包括支管与主管之间的焊缝破坏、支管受拉断裂、支管鼓曲以及主管撕裂;支管间隙较大的试件更容易出现主管撕裂破坏。主管填充混凝土后,其径向刚度显著提高,支管与主管连接处的应力集中程度也有所改善,节点的屈服荷载和峰值荷载有不同程度的提高,尤其是受压循环的峰值荷载提高幅值达到60%以上。主管填充混凝土后,K型方钢管节点试件的延性以及耗能系数都有所降低。     

CCTV新台址主楼SRC柱承载力试验研究

中央电视台(CCTV)新台址主楼钢结构外筒采用了高含钢率且带有多空腔的SRC柱,是主楼外筒抗侧力体系中的主要构件。高含钢率高强度的SRC柱具有断面小、承载力高以及延性好等特点,已经在复杂大型高层建筑结构中开始应用。本文对CCTV主楼外筒中截面最大的SRC柱进行了4根模型试件的承载力性能与延性试验,研究了高含钢率且含有多空腔的SRC柱在不同轴力和弯矩组合作用下的受力性能,揭示了它们的破坏机理和变形过程。试验结果显示,高含钢率SRC柱的承载力与延性性能远优于普通SRC柱。同时,本文还利用有限元分析程序对试验模型进行了数值计算并与试验结果进行了对比。最后通过分析,提出了"对于SRC柱的设计方法及轴压比的限值必须与SRC柱的含钢率相联系,使设计真正做到安全可靠、经济合理"的设计建议。     

N型圆钢管相贯节点滞回性能的试验研究

设计了专用的加载装置,对4种不同形式的N型圆钢管相贯节点进行了往复加载的试验研究,得到了节点的滞回曲线。观察节点的破坏现象,得出往复荷载作用下相贯节点在不同加强形式下破坏特征一致的结论。分析比较各节点的延性、耗能能力和强度等力学性能,揭示了垫板加强和弦杆内填混凝土等加强措施在一定程度上降低了节点的滞回性能和延性,但有效提高了节点的极限承载力。得到了各节点的承载效率、节点延性系数,并对其进行量化比较和评价,发现弦杆内填混凝土N型加强节点承载效率最高,其延性系数也较大;N型直接焊接节点承载效率最低,其延性系数最大。这些结论对于N型圆钢管相贯节点的优化设计具有一定的参考价值。     

T型方管节点滞回性能的试验研究

为了得到T型方管节点的滞回性能,为进一步研究方管结构的抗震性能打下基础。对轴向往复荷载作用下的12个T型方管节点进行试验研究。试验中6个节点采用弦杆两端约束的边界条件,其余6个节点采用弦杆中部约束的边界条件。得到节点试件的破坏模式和滞回曲线,以及用以评价节点抗震性能的主要参数(承载力、延性和能量耗散系数)。研究不同约束条件和几何参数对节点滞回性能的影响。将节点的极限承载力与单向荷载作用下我国规范公式(GB50017—2003)计算结果、CIDECT公式计算结果和有限元分析结果进行比较。结果表明:节点的破坏模式主要是受压时弦杆表面塑性变形和受拉时焊缝边缘开裂,导致在支弦杆交汇处被拉断;节点滞回曲线饱满,从节点域靠近弦杆侧壁的两侧开裂到节点完全破坏还有很大的耗能能力;焊缝尺寸对节点的滞回性能影响较大。     

空间H形梁柱节点的节点域滞回性能试验研究

为研究空间效应对节点域滞回性能及稳定性的影响,设计了4个不同构造的空间H形梁柱节点试件,于柱端施加恒定轴向荷载,于柱弱轴平面梁端施加恒定反对称荷载,于柱强轴平面梁端施加反对称往复荷载。试验及分析结果表明：基于平面梁柱节点试验提出的考虑竖向连接板对提高节点域稳定性的推荐公式仍适用;柱弱轴平面不平衡弯矩通过竖向连接板及横向加劲肋传递至柱翼缘,当该荷载不致引起节点域周边构件过早屈服时,若传力路径连续,节点域不直接抵抗该荷载作用;在本试验的柱弱轴平面荷载应力水平下,构造设计合理的空间试件节点域的承载力、变形能力、稳定性、耗能能力均不低于相应的平面试件。     

CCTV新台址主楼抗震性能研究

中央电视台新台址主楼建筑造型和结构体系独特,结构动力特性和地震响应异常复杂。本文首先研究了结构的自振特性,研究结果表明,其1、2阶振型表现为沿两塔楼对角线方向的平动变形,并伴随塔身扭转变形以及大悬臂竖向振动,其3、5、7阶振型以扭转为主。在自振特性分析的基础上,应用有限元数值方法对结构的小震、中震弹性响应进行了分析。通过对构件承载性能的分析建立了弹塑性计算模型,并应用此模型进行了结构大震弹塑性时程响应和静力弹塑性推覆分析,依据抗震性能指标校核了结构及构件的承载力。基于FNA进行的大震弹塑性时程分析表明,最大层间位移角满足1/50的限值条件。推覆分析分别采用以加速度相关和质量相关的横向力分布模式,正、反向加载进行计算,按照目标位移法和能力谱法确定结构的地震响应以及推覆过程中塑性铰的分布状态。基于三套地震作用参数(《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001),100年使用年限换算设防烈度及地震安评报告)的计算结果,综合评估了结构的     

K型圆管相贯节点的滞回性能分析及试验

节点作为空间结构最重要的组成部分,其在反复荷载作用下的荷载—变形曲线（滞回曲线）是对其延性、耗能能力、强度、刚度等力学性能的综合反映。对K型搭接相贯节点内隐藏焊缝焊与不焊两种模型在弦杆轴向往复荷载作用下进行试验研究和有限元模拟计算,对比分析得到节点试件的破坏模式和滞回曲线,同时有限元模拟分析所得结果和试验所得结果较为吻合。结果表明：隐藏焊缝焊接节点破坏时是局部的,最终是搭接管在焊缝处被拉断;不焊节点的破坏模式是焊缝整体破坏,隐藏焊缝不焊对节点承载力的影响不能忽视。通过有限元模拟分析来代替相贯节点滞回性能试验是可行的。     

Y形直接焊接矩形钢管节点滞回性能试验研究

对钢管结构中常用的Y形矩形钢管节点进行了试验研究。通过对支管施加轴向往复荷载,共对10个直接焊接Y形矩形管节点进行拟静力试验。为研究钢管加工及节点焊接过程中产生的残余应力对节点性能的影响,对其中2个节点进行了去应力退火处理。通过分析节点的承载力、延性比和能量耗散系数,对此种节点的滞回性能进行了深入研究。试验表明：在支管承受轴向往复荷载作用时,总是在支弦管连接焊缝外边缘沿支管侧壁方向切断弦管上壁面,从而导致节点性能的劣化。在弦管上壁面拉裂之前节点耗能性能良好,且退火节点在弦管上壁面拉裂之后仍然有较大的耗能潜力。节点的滞回性能较好,这为在抗震区推广使用管结构提供了有力支持。     

钢框架梁柱连接节点转动刚度试验研究

为了探讨钢框架梁柱连接节点的转动刚度和破坏模式,针对常见梁柱节点类型,包括全焊接连接、外伸式端板螺栓连接、T型钢螺栓连接、上下翼缘及腹板角钢螺栓连接等,进行了单向加载试验研究。试验结果表明,各类节点的总转角均超过了0.05 rad,塑性转角均超过了0.04 rad;节点域剪切变形较大,特别是全焊接节点,使节点转动刚度显著降低;当连接较强时,框架梁可以在连接破坏之前形成塑性铰;当连接较弱时,连接件容易因过度变形而破坏。通过对试验数据的分类整理分析,梁柱节点总转角可以分成节点域转角和连接转角两大部分,给出了常见节点类型在弹性阶段的转角及转动刚度简化计算方法,并与试验结果进行了对比,计算结果与试验结果吻合较好。     

冷弯薄壁方钢管梁柱节点抗震性能试验研究

冷弯薄壁钢管结构房屋施工速度快,适合在抗震设防烈度高的地区及震后重建中使用。因管壁较薄,梁柱节点连接方式及其力学性能还需进一步研究。依据"强柱弱梁,强节点弱杆件"的抗震设计思想,按照控制塑性铰位置的思路,在梁端加设加腋板;依据减少反复焊接次数可降低节点脆断的性能,采用纵向梁焊接于横向梁方式减少对柱施焊次数。共开展三种类型12个节点在不同轴压比下的低周往复加载试验,探讨节点滞回耗能和承载力等力学性能,结果表明:①普通焊接节点破坏前所经历循环次数较少,节点部位焊缝及附近板件发生断裂;②加腋节点极限承载力比普通焊接节点提高很多,耗能能力也较强,破坏时加腋端梁截面局部屈曲,屈曲点位于节点核心区外;③分散焊缝连接节点所经过加载循环次数较多,屈服后累计耗能能力较强,破坏时C形钢腹板局部屈曲,节点发生延性破坏;④轴压比对普通焊接节点和加腋节点的滞回性能、承载力及刚度退化影响较大,但对分散焊缝连接节点影响较小。     

改进贴板加强的钢管受弯连接节点试验研究

由于国家游泳中心多面体空间刚架的杆件与节点之间采用全熔透的对接焊缝连接,为避免焊缝脆性破坏先于钢材破坏,实现"强节点弱构件"的设计思想,确保结构具有良好的延性,有必要对焊缝连接节点进行适当加强。采用低周反复加载方法对改进贴板加强的方钢管及圆钢管杆端受弯连接节点进行试验研究。改进的贴板加强方式对4面围焊的矩形贴板作了两方面的改进:贴板形状由矩形改为下部矩形、上部梯形的形式;取消贴板前端的焊缝,由4面围焊改为3面围焊。研究表明,改进贴板加强方式可有效减少由于焊接引起的母材材性改变所带来的不利影响,节点的破坏形式则由钢材拉裂改变为钢管的局部压曲,节点的耗能能力更强、延性更好。     

钢管混凝土斜交框筒节点试验研究

钢管混凝土斜交网格框筒的网格节点汇集了斜柱、环梁、径向梁等构件,其构造和应力分布较为复杂。为了改进该类节点的受力性能,针对工程实际,设计了核心区采用转换柱体与中央竖板相结合的节点构造形式,并以相贯的方式与斜柱连接。为研究此类节点的承载能力和破坏形态,验证节点构造的合理性,实现“强节点弱构件”的设计目标,进行了6个缩尺比为1∶5.5的柱倾斜45°的节点模型试验,在10MN级自平衡钢结构加载架内,采用两个5MN千斤顶对相贯节点的柱端施加轴向荷载。结果表明,节点设计符合“强节点弱构件”的设计要求,即使节点区混凝土浇筑不密实,节点的受力性能也能够达到设计要求,节点的设计方法可行,构造合理。     

冷弯薄壁型钢螺钉连接抗拔性能试验研究

为了研究钢板的材料强度、厚度以及螺钉外直径、内直径、螺纹间距、钻头处直径对冷弯薄壁型钢螺钉连接的拔出破坏模式和抗拔承载力的影响,选取板厚为0.8、1.0、1.2mm的LQ550及板厚为0.8、1.5、2.0mm的S350冷弯型钢,采用不同螺钉参数,进行了287个试件的拔出试验。结果表明：1.0mm及以上厚度板件主要发生螺纹剪切破坏,随着板厚增加,螺纹剪切破坏越明显;0.8mm厚超薄板件主要发生钉孔挤压破坏,且螺钉直径越大、板材强度越低,钉孔挤压变形越显著。螺纹间距对抗拔承载力影响较小,抗拔承载力随着螺钉外直径增加而增大,内直径增大而减小,且二者对超薄板件的影响更大。对于自钻自攻螺钉应采用内直径与钻头处直径的较大值计算抗拔承载力,螺钉钻头处直径越小承载力越大。我国GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》中抗拔承载力计算公式对于螺钉连接LQ550高强钢板偏于不安全,尤其对于0.8mm厚的超薄板件。最后,提出考虑钢板材料强度、厚度以及螺钉外直径、内直径、螺纹间距、钻头处直径的设计承载力计算式,其具有较好的适用性和可靠性。     

足尺钢梁柱刚性连接节点抗震性能试验研究

通过10个不同连接构造的足尺钢梁柱刚性连接节点的试验,研究了标准栓焊连接节点、标准全焊连接节点、梁翼缘加强型节点、梁翼缘局部削弱型节点以及梁贯通型节点在梁端往复荷载作用下的破坏过程、破坏形态、承载力和塑性变形能力等抗震性能。试验结果表明,梁翼缘局部切割削弱和梁翼缘加盖板节点的梁的极限塑性转角大于0.03,梁贯通型节点、梁下翼缘加腋节点和梁翼缘打孔节点的梁的极限塑性转角大于0.02,其余类型节点的都小于0.02。对实测的梁翼缘和腹板的应力分布的分析表明,梁根部翼缘处于三向应力状态,是其脆性断裂破坏的原因之一。建议钢框架梁柱连接优先采用梁翼缘加梯形盖板节点和梁下翼缘加腋节点。     

Experimental investigation of the behaviour of fin plate connections in fire

Accidental fires and full-scale structural tests have indicated that steel connections can be subjected to large deformations and fracture in fire. This is not currently considered in fire engineering design approaches because the connections are assumed to heat up more slowly than the structural frame members and therefore retain a greater proportion of their strength. A project at the Universities of Sheffield and Manchester has investigated the robustness of common types of steel connections when subjected to fire. In the test programme the connections were subjected to combinations of shear force and tying force, and loaded to large deformation and fracture. This paper reports on the test results on fin plate connections. The test results indicate that bolts are vulnerable to shear fracture and that failure is usually controlled by bolt shear rather than by plate bearing. Fin plate connection resistance reduces rapidly with increase of temperature.The test results are compared to values suggested by the current United Kingdom design guidance and Eurocode 3 Part 1.8. A previously developed component-based model is also used to simulate the test results.