薄壁钢管混凝土框架梁柱端板连接节点的静力性能

论文摘要

薄壁钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好、制作和施工方便、耐火性能好、经济性好等特点。目前国内外对冷弯薄壁型钢构件的研究比较成熟,对薄壁钢管混凝土构件的研究较少见,尚未有系统的薄壁钢管混凝土的设计方法,这阻碍了此类新型组合结构在实际工程的推广和应用。因此,对薄壁钢管混凝土框架端板连接节点试验和理论的研究具有重要的理论和实践意义。本文主要研究了薄壁钢管混凝土框架端板连接节点的静力性能和理论计算模型,主要进行了以下几个方面的研究:（1）采用大型有限元软件ABAQUS建立了带肋方钢管柱与钢梁端板连接节点在单调荷载作用下的有限元分析模型,并得到大量试验算例验证,对节点进行了非线性全过程分析和参数分析,并通过典型节点算例分析了节点域各组件的应力分布和变形特征,探讨了节点的工作机理。（2）进行了4个带肋薄壁钢管混凝土框架端板连接节点的单调加载试验,研究其静力性能和破坏模式。主要研究了节点的弯矩-转角关系、破坏模式、连接刚度、抗弯承载力和延性。试验表明:带锚固措施的薄壁钢管混凝土框架端板连接节点具有较高的强度、刚度和延性,为半刚性连接、部分强度节点;其极限转角均超过了0.044rad,满足美国规范FEMA-350规定连接转动能力不小于0.03rad的延性设计要求,可以安全可靠地应用于多层抗弯组合框架结构。（3）采用有限元软件ABAQUS建立了带肋薄壁钢管混凝土框架梁柱端板连接节点在单调荷载作用下的有限元分析模型。分析了节点域各组件的应力分布和变形特征,探讨了节点的工作机理;并对节点的弯矩-转角关系曲线的影响参数进行了大量分析。分析表明:选择合理的端板厚度、柱壁加厚区厚度及螺栓直径,对带肋薄壁方钢管混凝土框架端板连接节点设计影响较大;对于有侧移框架或无侧移框架,带肋薄壁方钢管混凝土梁柱平端板连接节点均为半刚性部分强度连接节点;对于带肋薄壁方钢管混凝土梁柱外伸端板连接节点,为半刚性全强度或半刚性部分强度连接节点。（4）基于试验和现有的理论研究结果,提出了改善此类薄壁组合节点连接性能的合理构造措施,为工程设计与施工提供参考依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 冷弯薄壁型钢的特点及应用
• 1.1.1 冷弯薄壁型钢的优点
• 1.1.2 冷弯薄壁型钢的缺点
• 1.2 冷弯薄壁型钢研究现状
• 1.2.1 冷弯薄壁型钢构件
• 1.2.2 冷弯薄壁型钢节点和框架
• 1.3 薄壁钢管混凝土结构的研究现状
• 1.3.1 薄壁组合梁
• 1.3.2 薄壁钢管混凝土柱
• 1.3.3 薄壁钢管混凝土节点和框架
• 1.4 钢管混凝土框架梁柱连接节点研究现状
• 1.4.1 连接分类方法
• 1.4.2 连接的弯矩-转角关系数学模型
• 1.4.3 钢管混凝土框架梁柱连接节点类型
• 1.4.4 钢管混凝土框架梁柱单边螺栓端板连接节点研究现状
• 1.5 本文的研究方法、思路及研究内容
• 1.5.1 研究方法和思路
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 带肋方钢管柱与钢梁单边螺栓端板连接节点有限元分析
• 2.1 引言
• 2.2 钢材和高强螺栓的力学性能
• 2.2.1 屈服强度
• 2.2.2 弹性模量和泊松比
• 2.2.3 材料的应力-应变关系
• 2.3 节点有限元分析模型
• 2.3.1 单元选取
• 2.3.2 单元网格划分
• 2.3.3 边界条件和加载模式
• 2.3.4 非线性方程的求解
• 2.4 试验验证
• 2.5 参数分析
• 2.5.1 计算模型
• 2.5.2 参数分析
• 2.6 节点抗弯刚度和刚性分析
• 2.7 节点工作机理
• 2.8 小结
• 第三章 单调荷载作用下薄壁钢管混凝土框架梁柱端板连接节点试验
• 3.1 引言
• 3.2 试验目的
• 3.3 试验设计、制作和安装
• 3.4 试验方案
• 3.4.1 试验加载程序
• 3.4.2 试验加载装置
• 3.4.3 数据采集
• 3.5 量测内容
• 3.5.1 应变片布置
• 3.5.2 位移计布置
• 3.6 材性试验
• 3.6.1 钢材的材性试验
• 3.6.2 混凝土的材性试验
• 3.6.3 螺栓的材性
• 3.7 试验现象
• 3.8 试验结果与分析评价
• 3.8.1 破坏形态
• 3.8.2 弯矩-转角（M-θr）关系
• 3.8.3 钢梁应变分布
• 3.8.4 端板应变分布
• 3.8.5 柱应变分布
• 3.9 小结
• 第四章 带肋薄壁钢管混凝土框架梁柱端板连接节点理论研究
• 4.1 前言
• 4.2 带肋薄壁钢管混凝土节点有限元模型
• 4.2.1 材料模型
• 4.2.2 单元类型和网格划分
• 4.2.3 界面模型处理
• 4.2.4 边界及荷载
• 4.3 试验验证
• 4.4 薄壁钢管混凝土框架梁柱端板连接节点非线性全过程分析
• 4.4.1 典型节点的确定
• 4.4.2 节点受力机理分析
• 4.5 破坏模态分析
• 4.5.1 端板破坏
• 4.5.2 柱破坏
• 4.5.3 螺栓破坏
• 4.6 小结
• 第五章 参数分析及设计建议
• 5.1 前言
• r）关系曲线的参数分析'>5.2 节点弯矩（M）-转角（θ_r）关系曲线的参数分析
• 5.2.1 螺栓直径
• 5.2.2 螺栓预拉力（P）
• cb)'>5.2.3 螺栓锚固长度(l_cb)
• ep)'>5.2.4 端板厚度(t_ep)
• 5.2.5 含钢率（α）
• 5.2.6 轴压比（n）
• jc)'>5.2.7 柱壁加厚区高度(h_jc)
• jc)'>5.2.8 柱壁加厚区厚度(t_jc)
• y）'>5.2.9 钢材屈服强度（f_y）
• cu)'>5.2.10 混凝土强度(f_cu)
• 5.2.11 柱长细比（λ）
• 5.2.12 梁柱线刚度比（i）
• m）'>5.2.13 梁柱截面屈服弯矩比（k_m）
• 5.3 节点抗弯刚度和刚性分析
• 5.4 节点构造措施探讨
• 5.4.1 节点区柱壁加厚
• 5.4.2 增加螺栓锚固长度
• 5.5 小结
• 第六章 结论与建议
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文