节点域箱形加强式工字形柱弱轴连接钢框架的力学性能和经济性分析

在钢框架结构设计中,提出一种新型节点域箱形加强式工字形柱弱轴连接方式。为了考察该连接在8度抗震区6层以下钢框架结构的适用性,结合6层工程实例和3层工程模型,对采用节点域箱形加强式工字形柱弱轴连接和传统箱形柱内隔板式连接的钢框架力学性能和经济性以及单调荷载和循环荷载作用下的连接承载能力做了对比分析。结果表明:对于8度抗震区6层以下钢框架,采用节点域箱形加强式工字形柱弱轴连接钢框架的力学性能和经济性都优于传统箱形柱内隔板式连接钢框架;节点域箱形加强式工字形柱弱轴连接在单调荷载和循环荷载作用下的承载能力也略强于传统箱形柱内隔板式连接。     

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。     

节点域箱形加强式工字形柱盖板加强连接异形节点非线性有限元分析

为了研究节点域箱形加强式工字形柱盖板加强连接异形节点的抗震性能,采用有限元分析软件ABAQUS对节点域箱形加强式工字形柱标准型与盖板加强型异形节点进行循环加载模拟分析。结果表明,两种连接形式的节点域箱形加强式工字形柱异形节点破坏时均在梁端形成塑性铰,都具有良好的滞回性能及耗能能力,盖板加强型异形节点能够有效地实现塑性铰外移,满足"强节点弱构件"及"强节点域"的抗震设计要求;相比标准型异形节点,盖板加强型异形节点具有较高的承载力及初始抗侧刚度,但延性性能略低于标准型异形节点;节点域上、下核心区不作为整体协同工作。     

箱形节点域工字形柱弱轴盖板加强连接的设计方法

为了实现“高延性-高弹性承载力”的抗震设计思路和推广盖板加强型连接在工字形柱钢框架中的应用,提出了一种适用于箱形节点域工字形柱弱轴盖板加强连接的设计方法和设计步骤。通过一个多层钢框架工程实例的设计,验证了所提盖板加强型连接设计方法的可靠性。采用ABAQUS有限元软件对实际工程的内框架十字形节点在循环荷载作用下的力学性能进行分析,研究了节点的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线、延性系数和耗能能力。结果表明:新型箱形节点域工字形柱弱轴盖板加强连接的设计方法合理、可靠,应用该方法设计的工字形柱弱轴连接节点能够实现梁上“塑性铰”外移,节点具有较强的塑性变形能力和耗能能力,能够满足抗震规范中“强柱弱梁”和“强节点弱构件”的抗震设计理念。     

箱形节点域H形柱弱轴削弱型连接的设计方法

为了实现"高延性-高弹性承载力"的抗震设计思路和推广削弱型RBS(Reduced Beam Section)连接在H形柱钢框架中的应用,提出了一种适用于H形柱弱轴的箱形节点域RBS连接的设计方法和步骤。通过一个多层钢框架工程的设计,验证了所提RBS型连接设计方法的可靠性。采用ABAQUS有限元软件对该工程的内框架十字形节点在循环荷载作用下的力学性能进行分析,研究了节点的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、延性系数。研究结果表明,新型箱形节点域H形柱弱轴RBS连接的设计方法合理、可靠,应用该方法设计的H形柱弱轴连接节点能够实现梁"塑性铰"的外移,节点具有较高的延性和承载能力,能够满足抗震规范中"强柱弱梁"和"强节点弱构件"的抗震设计要求。     

肋板加强式新型工字形柱弱轴连接的抗震性能有限元分析

基于一种新型节点域箱形加强式工字形柱弱轴连接的研究成果,进行梁端肋板加强式节点抗震性能的研究。利用有限元软件ABAQUS对模型进行非线性分析,得出节点的破坏形态和焊缝等关键部位的应力分布情况。通过计算得出荷载-位移曲线、骨架曲线、极限承载力、位移延性等节点参数,并对其延性及耗能能力与标准新型弱轴连接试件进行对比分析。研究结果表明:肋板加强式弱轴连接节点能够有效地迫使梁端塑性铰外移,从而实现"强柱弱梁"的抗震理念。肋板加强可以改善新型弱轴连接梁柱翼缘对接焊缝和蒙皮板的应力分布并提高节点的刚度和承载力,具有较标准新型弱轴连接更好的抗震性能。     

节点域箱形加强式工字形柱弱轴连接腹板开孔型节点的滞回性能研究

采用有限元软件ABAQUS对节点域箱形加强式工字形柱弱轴连接普通节点和腹板开孔型节点进行有限元分析,研究了开孔参数、轴压比、钢材强度对节点域箱形加强式工字形柱弱轴连接腹板开孔型节点滞回性能的影响。分析结果表明:在循环荷载作用下,在弹性阶段节点腹板开孔参数对节点骨架曲线影响不大;进入弹塑性阶段后,开孔参数对节点的承载力影响较大,其中开孔直径对节点的滞回性能影响最大,开孔位置次之;轴压比对节点的滞回性能基本无影响;随着钢材强度的提高,节点的屈服承载力和极限承载力随之也提高,并且其延性也在降低,中强度钢材可以满足延性的要求,因此可以通过提高钢材的强度来提高节点的抗震性能。另外提出了一种适用于弱轴连接的加强型与腹板开孔型并用的新型节点。通过有限元分析发现新型节点能够综合加强型节点与腹板开孔型节点的优点,实现塑性铰外移和增加使用功能的要求,有效地保护节点,达到"强节点弱构件"的目的,具有一定的工程应用价值。     

箱形节点域连接的工字形柱钢框架抗震性能试验研究

为研究采用箱形节点域与工形柱连接的钢框架结构的抗震性能,对由工字形柱强轴与弱轴方向采用箱形节点域连接的2榀钢框架结构进行了低周反复加载试验。试验结果表明:强轴连接钢框架具有较高的承载能力及良好的滞回性能,破坏时梁端出现塑性铰;弱轴连接钢框架的承载力相对偏低,但具有优于强轴连接钢框架的变形能力,且在弹塑性变形阶段具有与强轴连接钢框架相近的耗能能力,破坏模式与强轴连接基本相同;两榀钢框架的位移延性系数在2~3之间;试验中两榀钢框架的节点域始终处于弹性工作阶段,均未发生屈服。这表明箱形节点域连接属于"强节点域"连接,达到了"强节点弱构件"的抗震要求。箱形节点域连接可以有效减小节点域的剪切变形,采用该连接进行工字形柱钢框架设计时,在抗震设计中可以忽略节点域剪切变形对层间位移的影响。     

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。