焊接工艺孔对梁柱节点滞回性能的影响研究

为了研究焊接工艺孔的细部尺寸对钢框架梁柱节点滞回性能的影响,运用有限元软件ABAQUS对10个不同焊缝通过孔细部尺寸的节点试件进行模拟分析。首先,根据已有梁柱节点循环加载试验对有限元建模方法进行有效性验证。然后,分别根据我国GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》和美国FEMA-350推荐的焊缝通过孔形式建立有限元模型,研究焊缝通过孔的细部尺寸对节点滞回性能的影响。研究结果表明:采用FEMA-350推荐的焊接工艺孔形式的梁柱节点的初始刚度与我国标准节点相近,但其承载能力较标准节点有所降低,梁下翼缘焊缝处的应力水平明显降低,可以减小焊缝脆断的风险;随着开孔的末端梁腹板距柱翼缘表面的距离a及开孔斜线段的水平长度b的增大,承载能力逐渐降低。综合考虑梁柱节点的滞回性能及梁下翼缘焊缝处应力分布,建议开孔的末端梁腹板距柱翼缘表面的距离a及开孔斜线的水平长度b分别取60 mm和30 mm。     

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。     

梁翼缘开长孔型节点滞回性能分析

提出了一种翼缘开长孔的梁柱节点形式,运用有限元软件ABAQUS对梁翼缘采用长孔削弱的钢框架梁柱节点进行循环荷载作用下的受力性能分析。考虑参数:开孔矩形部分起始部位距离柱翼缘表面的距离a、矩形孔长度b、矩形孔宽度c、开孔距离梁翼缘边缘的距离d的影响,开展了4个系列共19个节点模型的参数分析,对各模型的滞回曲线及破坏时节点处的Mises应力进行了详细分析,以得到合适的参数取值。分析结果表明:随着参数c的增大,节点的最大承载能力逐渐降低,塑性铰外移明显;参数a、b、d对节点的荷载-位移滞回曲线及骨架曲线影响很小;随着参数a的增大,塑性铰逐渐外移,随着参数b的增大,梁端焊缝处应力明显降低,随着参数d的增大,承载力略有降低,梁腹板上应力集中部位愈加靠近梁柱节点;建议参数取值a=(0.8~0.9)b_f,b=(0.7~0.9)h_b,c=0.15b_f,d=0.075b_f,其中b_f和h_b分别为梁截面宽度和高度。     

钢框架梁端翼缘扩大型节点低周反复荷载试验研究

针对钢框架梁端翼缘扩大型节点进行4个1∶2缩尺比例的模型试验,深入研究梁端翼缘侧板加强型节点和梁端翼缘圆弧扩翼型节点在低周往复荷载作用下节点的屈服荷载、极限荷载、滞回曲线、骨架曲线、延性和耗能能力等抗震性能。为了比较分析,还设计制作了1个普通栓焊节点试件。试验结果表明,4个梁端翼缘扩大型梁柱节点均达到了抗弯钢框架连接的抗震要求,而普通栓焊节点试件由于梁柱焊缝根部的脆性破坏制约了梁柱节点的塑性发展;梁端翼缘侧板加强型节点由于侧板与梁翼缘对接焊缝的影响使得焊接热影响区母材变脆而发生脆性撕裂,致使节点的耗能性能受到影响;梁端翼缘圆弧扩翼型节点的抗震性能优于梁端翼缘侧板加强型节点。建议在实际工程中,采用圆弧渐进式过渡的梁端翼缘扩翼型节点,可以有效保证梁柱节点连接的塑性变形和耗能能力。     

焊接残余应力对加强型节点力学性能影响研究

以翼缘板加强式和盖板加强式两类加强型节点为研究对象,采用ANSYS结构分析软件"生死单元"功能模拟了瞬态焊接过程,得到焊接残余应力场的分布,在此基础上,针对有、无考虑焊接残余应力的两种有限元模型,分析了残余应力对节点和荷载-位移滞回性能及脆性断裂特性等影响。研究结果表明,焊接残余应力对盖板加强型节点的脆性断裂影响大于翼缘板加强型节点,盖板加强式节点在梁端对接焊缝的边缘容易发生脆性断裂,在设计和施工时应予以注意并采取相应的防范措施。     

扩翼式连接钢框架抗震性能试验研究

为了深入研究扩翼式连接钢框架的抗震性能,设计制作了一榀1∶2缩尺比例的两层扩翼式连接钢框架,采用试验和有限元分析方法研究了扩翼式连接钢框架在低周往复水平荷载作用下的荷载-位移滞回性能、刚度及强度退化、塑性铰变形能力、耗能以及破坏模式等抗震性能。研究结果表明,扩翼式连接钢框架在低周往复水平荷载作用下,塑性铰自梁柱连接焊缝位置移出,塑性铰中心在扩翼段变截面以外位置形成,达到保护梁端连接焊缝防止发生脆性断裂的延性设计目标;扩翼式连接钢框架的荷载-位移滞回曲线表现出较好的塑性变形和耗能能力;进入屈服后随荷载增加受二阶效应影响结构的强度退化呈加快趋势;梁端翼缘截面扩大后,梁端承载力相应提高,但节点域刚度有所降低,设计中应采取构造措施对节点域进行补强,避免出现"强梁弱柱"现象。     

带混凝土楼板的钢框架梁柱弱轴连接节点滞回性能试验研究

为研究组合效应对梁柱弱轴连接滞回性能的影响,进行了梁端截面形式分别采用标准型、削弱型、盖板加强型、扩大翼缘型及加腋型的5个纯钢中节点及5个部分抗剪连接的钢-混凝土组合中节点试件的循环荷载试验。对各试件的试验现象、破坏特征、滞回曲线、钢梁应力(应变)分布及耗能进行了分析。结果表明,除了加腋型试件,钢-混凝土组合节点试件梁下翼缘焊缝均发生不同程度的开裂,但梁上翼缘焊缝及腹板螺栓仍可继续承担较大荷载,而纯钢节点试件梁上下翼缘焊缝均出现开裂,承载力迅速降低;纯钢节点的滞回曲线较组合节点的更为饱满,钢-混凝土组合节点试件的滞回曲线受到腹板螺栓滑移的影响而逐渐呈反S形;正弯矩作用下钢-混凝土组合梁截面中和轴显著上移,梁下翼缘应变水平基本高于纯钢节点的;梁端削弱型节点能较有效地实现塑性铰外移,且其滞回曲线最为稳定,推荐优先选用;焊接质量是影响节点滞回性能的关键,建议蒙皮板采用抗层间撕裂的Z向钢材。     

扩翼式弱轴连接节点的滞回性能分析

为了实现传统弱轴连接中的梁上塑性铰外移,提出了弱轴扩翼式平齐加劲板连接(WWBF)节点,并运用有限元软件ABAQUS 6. 14-1对扩翼式连接节点试验进行模拟验证后,对WWBF节点进行系列参数分析,得到合适的参数取值范围,并进一步验证了建议参数取值的适用性。结果表明,WWBF节点的荷载-位移滞回曲线均呈饱满的梭形,节点的耗能性能良好;扩翼三角板细部参数的变化对节点的初始刚度基本没有影响;随着扩翼三角板直角边长的增大,节点的峰值承载力逐渐小幅增加,梁截面的屈曲在扩翼末端的梁截面上发展,梁上塑性铰逐渐远离梁柱连接处;当扩翼三角板直角边长比保持不变时,随着短直角边长a的增大,焊缝两端的断裂指标有所减小,焊缝发生脆性断裂的可能性降低;当扩翼三角板短直角边长a保持不变时,随着直角边长比的减小,焊缝处的最大应力三轴度指标及断裂指标有所增大;建议梁端扩翼三角板的直角边长比取为1∶2～1∶3。     

焊缝节点抗震性能的有限元数值模拟

采用有限元方法模拟焊缝节点在循环荷载条件下受力情况,分析了在循环荷载作用下节点的滞回性能,并以此为依据分析了节点的抗震性能,总结了焊脚高度及焊缝长度对它们的影响规律,并提出了节点能量耗散系数的计算公式。     

梁端翼缘扩大型连接的抗震性能研究

通过试验及数值分析方法研究了钢框架梁端翼缘扩大型连接节点的滞回性能、极限承载力、破坏模式、刚度及强度退化等抗震性能。研究结果表明:梁端翼缘扩大式节点可以将塑性铰转移到梁翼缘扩大端截面以外位置,避免梁端焊缝发生脆性破坏;加强侧板末端截面有明显突变和热影响区影响使钢材变脆应力集中现象严重,制约了节点塑性耗能深入发展;直接扩翼型节点塑性铰中心形成于扩翼圆弧段末端,远离柱翼缘,达到了塑性铰外移的目的;在循环荷载作用下,翼缘及腹板随局部屈曲塑性变形的不断积累,导致试件的强度出现退化;节点构造形式对抗震性能影响显著,直接扩翼型节点的塑性变形和耗能能力较好,推荐在强震区采用。