中高强度钢框架梁柱组合节点抗震性能研究

论文摘要

随着中高强度钢材逐渐应用在钢框架结构中,钢材强度的提高对梁柱组合节点抗震性能的影响成为研究者关注的焦点。在美国北岭地震和日本阪神地震中,钢框架梁柱节点的破坏大多是由于梁下翼缘与钢柱翼缘的对接焊缝断裂引起,而混凝土楼板的组合作用是该处发生应力集中很重要的原因。因此,在钢材强度提高后,组合节点承载力、刚度和延性以及混凝土楼板组合作用的具体变化需要进行相关的研究,但目前研究者对其受力性能和破坏机理的认识还很不足。为此,分析中高强度钢材梁柱组合节点在循环荷载作用下的受力特性具有重要的理论意义和工程实际应用价值。本文是在国家自然科学基金(50578083&50708051)的资助下完成的,主要研究了中高强度梁柱组合节点抗震性能,论文完成的工作及成果有:使用通用有限元软件ANSYS,建立了栓焊连接组合节点数值模型,对模型进行了弹塑性分析,研究了钢材强度、混凝土标号、楼板配筋率、楼板厚度等参数对节点承载力的影响。取混凝土楼板配筋率和加载方式为变量,进行了四个中高强度钢材组合节点的低周往复荷载破坏试验,分析了它们在循环荷载作用下的承载力、塑性变形能力、应力分布和破坏模式,总结了它们的延性特征和抗震性能,并与对应的普通钢材组合节点进行了比较,证明中高强度钢材组合节点可以在不降低延性的基础上显著提高节点承载力。通过对节点滞回曲线包络线进行分段线性模拟,建立了节点在循环荷载作用下的三线型恢复力模型。根据四个节点表现出的破坏模式,借鉴“组件法”,综合节点各组件计算方法得出节点承载力和初始刚度设计公式,全面考虑了包括钢梁柱屈曲、混凝土局部受压等因素的影响。与现有试验数据的对比说明,该方法可以比较准确地计算节点的抗弯承载力和初始转动刚度,总体精度可以达到工程设计的要求。本文所得数据、方法和结论均可为工程设计提供参考依据,也为在钢框架中进一步采用更高强度的钢材奠定了试验基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 钢框架组合节点研究综述
• 1.2.1 组合节点试验研究
• 1.2.2 组合节点数值模拟
• 1.2.3 组合节点理论分析模型
• 1.2.4 现有研究中存在的不足
• 1.3 本文工作
• 1.3.1 研究方法及内容
• 1.3.2 论文结构安排
• 第2章 组合节点非线性有限元分析
• 2.1 引言
• 2.2 有限元模型的建立
• 2.2.1 几何参数
• 2.2.2 单元选取
• 2.2.3 材料本构关系
• 2.2.4 荷载和边界条件
• 2.2.5 计算假定与合理简化
• 2.2.6 求解方法
• 2.3 节点承载性能影响因素分析
• 2.3.1 钢材强度影响分析
• 2.3.2 混凝土强度影响分析
• 2.3.3 楼板配筋率影响分析
• 2.3.4 楼板厚度影响分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 中高强度钢框架梁柱组合节点试验研究
• 3.1 试验目的
• 3.2 试件设计与制作
• 3.3 试验装置和测量内容
• 3.3.1 试验装置
• 3.3.2 加载制度
• 3.3.3 测点布置与量测内容
• 3.4 材性试验结果
• 3.5 试验破坏过程及特点
• 3.5.1 试验现象
• 3.5.2 试验破坏特征
• 3.6 试验结果分析
• 3.6.1 混凝土楼板开裂情况
• 3.6.2 节点的弯矩转角滞回曲线
• 3.6.3 节点承载性能分析
• 3.6.4 钢梁下翼缘应变分布情况
• 3.6.5 组合梁横截面应变分布情况
• 3.6.6 预埋钢筋应变分布情况
• 3.6.7 混凝土板与钢梁界面的滑移
• 3.6.8 节点平面外扭转
• 3.7 节点试验有限元对比
• 3.8 本章小结
• 第4章 中高强度钢框架组合节点抗震性能分析
• 4.1 节点延性与耗能能力分析
• 4.1.1 延性系数
• 4.1.2 节点刚度退化
• 4.1.3 节点耗能能力
• 4.2 节点滞回性能和恢复力模型
• 4.2.1 节点弯矩－转角骨架曲线对比
• 4.2.2 节点滞回曲线包络图
• 4.2.3 中高强度钢框架组合节点恢复力模型
• 4.3 本章小结
• 第5章 中高强度钢框架组合节点承载性能设计方法
• 5.1 组合节点抗弯承载力
• 5.1.1 组合节点各组件承载力计算
• 5.1.2 组合节点失效模式和计算假定
• 5.1.3 组合节点负弯矩作用下抗弯承载力计算
• 5.1.4 组合节点正弯矩作用下抗弯承载力计算
• 5.1.5 与试验结果的比较
• 5.2 组合节点初始转动刚度的计算
• 5.2.1 钢节点组件转动刚度计算
• 5.2.2 混凝土楼板刚度贡献
• 5.2.3 负弯矩作用下初始转动刚度
• 5.2.4 正弯矩作用下初始转动刚度
• 5.2.5 与试验结果的比较
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果