考虑组合楼板效应装配式钢框架节点抗震性能探讨

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论文字数:47555 论文编号:sb2021070414563736237 日期:2021-07-29 来源:硕博论文网
笔者经过研究,得出的具体结论如下:1)对端板连接节点进行了试验研究,结果表明端板连接的破坏位置多发生于端板中部与角钢加劲肋处。通过数值模拟对端板连接试验进行了对比分析,发现试验结果与数值模拟结果吻合良好。分析结果发现端板连接的耗能能力较为优越,其抗震性能较好。2)通过欧洲规范 Eurocode 3 中刚接、铰接、半刚接节点的界限范围得出了栓焊连接接近于刚接节点、顶底角钢连接接近于铰接节点、端板连接介于刚接节点与铰接节点之间属于半刚性连接节点。后通过理论计算出节点弹性阶段承载力并与有限元模拟值进行对比,结果发现栓焊连接、端板连接的理论值与模拟值吻合度较高。

第 1 章 绪论

1.1 研究背景与意义
随着当代中国经济水平的不断进步,钢结构建筑在人们生活中所占的比重也越来越大[1-2],所以人们对钢结构方面的研究更加深入,钢结构房屋也随之增多。如图1-1 所示为国内外典型的钢结构建筑。世界第一个钢结构建筑为英国伦敦万国工业博览会场地的水晶宫,水晶宫主要以钢铁与玻璃为建材的钢结构工程。
图 1-1 国内外典型的钢结构建筑
图 1-1 国内外典型的钢结构建筑
传统钢结构建筑在近几十年的使用中也暴露了诸多问题,其中钢结构建筑需要在现场进行大量焊接来拼装构件,混凝土楼板也需要在现场进行浇筑。然而钢结构体系在地震等作用下,也发生了诸多事故如图 1-2,例如:1978 年 1 月,美国康乃狄克州体育馆网架在大雨雪后倒塌。1990 年 2 月,辽宁省某重型机械厂计量楼层会议室倒塌。2020 年 3 月 7 日福建泉州旅店倒塌,事故造成大量人员伤亡与经济损失。当下气候、雾霾、能源消耗问题也引起了重视,传统钢结构建筑已经不能满足人们的日常需求。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 理论研究
在国内外学者装配式钢框架节点的研究中,梁柱节点是装配式钢框架结构中重要的组成部分,梁柱节点可以传递钢框架结构中的弯矩与剪力,是装配式钢框架结构抗震性能中重要的影响因素,一旦梁柱节点发生破坏整个钢框架体系就不再稳定安全。梁柱节点通常采用 3 种连接形式,按照结构类型分类包括:栓焊连接[7-9]、端板连接[10-12]、顶底角钢连接[13-16]等。而按照弯矩-转角关系分类又包括刚接、铰接、半刚性连接[17-18],在力学性能方面刚接形式既传递弯矩又能传递剪力,铰接形式只传递剪力,不能传递弯矩,而半刚性连接形式既能传递剪力,又能传递一部分弯矩。
在理论研究方面,目前国内外对弯矩-转角关系的研究主要有欧洲规范分类方法、美国容许应力(ASD)规范分类方法、美国荷载抗力系数设计方法等。弯矩-转角的数学模型种类非常多,其各有优点缺点,一般常用的数学模型有下面几种:
(1) 弯矩-转角数学模型研究
线性模型由 Roland[19]等人首先提出,通过线性模型来计算梁柱节点中弯矩-转角的曲线变化,通过线性模型还可以得出梁柱节点中刚度的取值。而线性模型的缺点为线性模型不能合理的分析梁柱节点的弹塑性变形,不能模拟出梁柱节点的塑性变化规律。
多项式模型[20]多用于计算梁柱节点中弯矩-转角的非线性变化,多项式模型需要使用切线方法来计算节点刚度,所以有可能会出现负刚度的情况,所以多项式模型并不适合在试验之后的数值分析中运用。
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第 2 章 装配式钢框架节点设计与试验研究

2.1 引言
多高层装配式钢框架结构已经成为我国广泛应用的结构类型之一,而梁柱节点是钢框架结构中的重中之重。梁柱节点按照结构类型可以分栓焊连接、端板连接、顶底角钢连接这三类,按照力学性能又可以分为刚接、铰接、半刚性连接节点。本章主要研究装配式钢框架结构中梁柱节点的抗震性能,首先通过相关规范[72-73]分别设计栓焊连接、端板连接、顶底角钢连接这三种类型的梁柱节点,运用理论计算得出其弹性阶段承载力理论值。通过节点设计的端板连接节点进行了端板连接低周往复加载试验,并对节点破坏模式进行分析,对其弯矩-转角曲线进行抗震性能方面的研究。
本试验按照我国相关设计规范以河北省石家庄市某装配式钢框架结构建筑为工程背景,设计了一幢 4 层的装配式钢框架结构建筑,建筑的使用年限为 50 年,抗震设防烈度为 7 度,地震分组为第二组,乙类建筑。采用的梁柱节点类型有栓焊连接、端板连接、顶底角钢连接,其中混凝土强度等级为 C30,且所有钢材均为 Q345 型钢材,螺栓均采用 10.9 级 M20 的高强螺栓。
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2.2 节点的尺寸设计
2.2.1 试验概况
以上述工程背景为案例本文共设计了 3 组梁柱节点试件如图 2-1~2-3,试件的几何尺寸见表 2-1。根据实际情况等因素确定了试件的缩尺比例为 1:2.5。其中钢梁与钢柱均采用热轧 H 型钢,钢材类型为 Q345 型,楼板采用压型钢板-组合楼板,压型钢板采用闭口型压型钢板,压型钢板的具体尺寸见表 2-2。
图 2-1 栓焊连接尺寸详图
图 2-1 栓焊连接尺寸详图


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第 3 章 有限元模型建立与验证···················27
3.1 有限元模型的建立······················27
3.1.1 ABAQUS 软件介绍··························27
3.1.2 本构关系模型························27
第 4 章 装配式钢框架节点抗震性能分析······················41
4.1 引言·······················41
4.2 端板连接试验结果与数值模拟结果对比·························· 41
第 5 章 考虑组合楼板效应节点抗震性能分析··························51
5.1 引言······················51
5.2 考虑组合楼板效应节点弯矩-转角曲线分析················· 51

第 5 章 考虑组合楼板效应节点抗震性能分析

5.1 引言
在装配式钢框架节点中组合楼板对梁柱节点的影响是至关重要的,组合楼板是由压型钢板与混凝土由抗剪栓钉连接组合而成的楼板,当组合楼板在受到外荷载作用下时混凝土与钢梁之间会产生滑移、混凝土也会产生裂缝开裂,混凝土与钢梁之间是通过抗剪栓钉连接起来的,所以栓钉的力学性能对组合楼板影响很大。本章通过数值模拟研究组合楼板对钢框架节点的影响,并系统的分析组合楼板厚度及压型钢板类型对节点的影响,通过数值模拟混凝土塑性损伤情况研究其开裂破坏位置,进而分析总结出组合楼板效应的相关规律。
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结论与展望


本文通过理论研究、数值模拟的方法对栓焊连接、端板连接、顶底角钢连接节点的抗震性能进行了研究,对考虑组合楼板作用下三种节点弯矩-转角曲线中初始刚度、极限承载力、节点域最大转角等抗震性能进行了分析,总结归纳出了组合楼板效应的相关规律。并对组合楼板中考虑组合楼板厚度下节点各连接件力学性能、混凝土塑性损伤开裂方面进行了深入研究。得出的具体结论如下:
1)对端板连接节点进行了试验研究,结果表明端板连接的破坏位置多发生于端板中部与角钢加劲肋处。通过数值模拟对端板连接试验进行了对比分析,发现试验结果与数值模拟结果吻合良好。分析结果发现端板连接的耗能能力较为优越,其抗震性能较好。
2)通过欧洲规范 Eurocode 3 中刚接、铰接、半刚接节点的界限范围得出了栓焊连接接近于刚接节点、顶底角钢连接接近于铰接节点、端板连接介于刚接节点与铰接节点之间属于半刚性连接节点。后通过理论计算出节点弹性阶段承载力并与有限元模拟值进行对比,结果发现栓焊连接、端板连接的理论值与模拟值吻合度较高。
3)组合楼板效应对刚性节点的抗震性能的提升有一定影响,对铰接节点的抗震性能影响较大,半刚性连接的影响介于二者之间。
4)组合楼板效应是随着组合楼板厚度的增加而降低的。当组合楼板厚度增加到120mm 时,组合楼板效应的影响就非常小了。这项规律可以给组合楼板设计提供一定的参考。
5)节点连接件中加劲肋对节点力学性能的影响很大。组合楼板效应对三种节点中连接件的破坏模式有较大的影响,组合楼板厚度对连接件的力学影响不大。
6)通过混凝土塑性损伤开裂研究发现在节点屈服状态时钢柱与混凝土相接触位置与钢梁端部施加荷载位置呈现受压损伤,而混凝土跨中部位呈现受拉损伤。当达到极限承载力状态时受压损伤位置变化不大,混凝土跨中部位受拉损伤严重。
参考文献(略)


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