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钢框架新型耗能梁柱节点滞回性能的研究

2018.03.30      点击: 489

要:随着我国经济的高速发展,钢框架结构成为多层和高层建筑选用的主要结构形式之一。钢框架梁柱 T 型钢连接是一种采用 T 型钢通过高强螺栓连接的节点连接,这种连接安装简单、造价经济,而且其刚度相对较大,承载力较大,延性较好,分析和研究 T 型钢连接的受力机理,具有重要的理论和工程意义。本文研究对 T 型钢滞回性能的分析,在考虑材料、几何和状态非线性的基础上,系统分析了 T 型钢的尺寸、柱的尺寸、连接抗滑移系数、轴压比等参数对连接滞回性能的影响。

关键词:T 型钢连接;循环荷载;滞回性能

中图分类号:TU391 文献标识码:A 文章编号:1671-558620163-0232-01


 

前言:钢框架结构具有大空间、布置灵活、延性好等优点,是目前多高层建筑中应用最广泛的一种结构形式。但钢框架抗侧移刚度小,在地震作用下变形大,对节点的转动能力要求高,会造成传统梁柱抗弯节点因转动能力不足而产生脆性裂缝。其中采用 T 型钢通过高强螺栓连接的梁柱节点属半刚性节点,滞回曲线稳定饱满,具有较为理想的抗震耗能作用,同时降螺栓连接在过去的地震中表现出良好的延性,所以有必要深入研究螺栓连接的梁柱节点的受力机理和节点滞回性能。

 

1 钢框架新型耗能梁柱节点研究现状

 

1.1 钢框架新型耗能梁柱节点性能研究

 

框架结构的梁柱连接材料一般采用钢和混凝土,但是为了获取更好的性能,部分学者开展了应用 FRP、SMA 等新型材料的研究。2008 年,Youssef 和 Alam 等提出采用镍钛超弹性 SMA 筋加强混凝土梁柱节点的塑性区以改善节点在往复荷载下的工作性能,并提出一种挤压摩擦连接器用于普通钢筋与 SMA 筋的连接。节点试验结果表明:梁柱采用重型截面的 A 类和 B 类试件在达到峰值荷载后,水平承载力衰减速度缓慢,表现出良好的延性,滞回曲线较饱满,耗能能力较强,结构的整体性能偏于钢框架。梁柱采用轻型截面的 C 类和 D 类试件在达到峰值荷载后,水平承载力劣化速度过快,整体延性较差,滞回曲线扁平,中部捏缩明显,耗能能力有限,结构整体性能偏于混凝土剪力墙[1]。这说明钢框架的强弱对钢框架内填 RC 墙结构具有显著影响,钢柱截面的强弱轴布置对结构的整体性能影响偏小。

 

1.2 采用新型耗能梁柱节点的框架受力性能

 

钢框架内填钢筋混凝土剪力墙结构中,钢框架作为边界构件抵抗全部竖向荷载和大部分整体弯矩,钢筋混凝土内填充墙可承担大部分水平力,并可有效地提高结构侧向刚度,降低对钢框架的抗震要求,为钢框架采用相对经济的半刚性节点提供了可能。一些研究者对应用 SMA 节点的框架抗震性能进行了分析,研究表明:强震下马氏体 SMA 节点可以有效减小结构最大变形需求,奥氏体 SMA 节点则可以有效控制结构的残余变形;但是低水平地震作用下 SMA 节点的控制优越性不明显。组合框架采用由超弹性 SMA 螺杆构造的 PR 组合节点可以减小结构震后残余变形,使层间侧移需求更平均,实现整体结构一致损伤,从而具有更好的抗震性能。钢框架与钢筋混凝土剪力墙之间通过设置抗剪连接件,以确保两者协同工作,形成组合作用,从而避免内填墙过早形成斜压带而导致内填墙对角压碎。而且新型耗能梁柱节点钢筋混凝土结构的能力-需求比大于钢筋混凝土结构,结构震后残余变形较小,具有更好的抗震性能。由此可见,SMA 节点可以进一步改善框架结构的抗震性能。

 

2 T 型钢连接的滞回性能有限元分析

 

2.1 循环拉压试验

 

为了确定 T 型钢梁柱连接试件的尺寸,分别对 3 层、6 层、 9 层的框架进行了试设计,设计时取层高 3.6m,柱距 6m,楼面恒 荷 载 标 准 值 取 3.5kN·m-2, 楼 面 活 荷 载 标 准 值 取 2.0kN·m-2,3 类场地土,地面粗糙度为 B。根据以上条件进行分析的基本试件,柱截面选取 H500×300×10×16,梁截面选


H400×200× 8×12, 剖分 T 型钢选取 TN250×200 ×10×16;高强度螺栓规格为 M20,10.9 级,孔径 21.5mm;摩擦系数取 0.45;除高强度螺栓外,其余材料均为 Q235。用两台 1000KN 的水平作动器并排作用在试件顶端的加载梁上,实施循环反复加载。加载制度为:300kN(循环 1 周),450kN(循环 1 周),600kN(循环 3 周)。可以看出马氏体 SMA 的弹性行为具有明显拉压非对称性,抗压承载力约为抗拉承载力的 1.29 倍。随着应变幅值的增大,试件受拉方向将以较大的应变强化替代单调拉伸情形的相变平台,受压方向则继续保持更高的应变强化直至发生受压屈曲并引起刚度突变。滞回曲线呈饱满的梭形,第二圈与第一圈基本重合,随着梁端循环位移的不断增大,曲线整体刚度不断降低,最后 T 型钢翼缘和梁翼缘均发生比较大的变形,可以认为节点已经破坏,破坏时的最大荷载可以达到 1.50Mpb,耗能系数为 2.19,耗能能力良好。

 

2.2 有限元分析模型

 

T 型钢连接件中的板件和螺栓等实体的网格划分均采用 3DSolid45 单元 , 模型中所建立的接触均通过目标单元

 

Targe170 和接触单元 Conta174 建立接触对来考虑,在 T 型钢连接件与梁、柱翼缘接触处、螺栓帽与梁、柱、T 型钢连接件接触处,螺栓杆与孔壁接触处建立接触单元,抗滑移系数取 0.45[2]。根据试件尺寸、加载方式及边界条件建立了有限元分析模型。圆钢杆在轴压荷载作用下将发生整体弯曲失稳,影响其屈曲承载力和屈曲后行为的主要因素有:材料特性、两端支承约束条件、残余应力、几何缺陷和长细比。由于材料塑性和力学缺陷的影响,实际钢杆将发生非弹性屈曲,且屈曲应力通常小于材料的屈服强度。通过试验研究发现光面钢筋在长径比小于 15 时将发生塑性屈曲,且认为试件不发生屈曲的临界长径比为 5。采用纤维有限元方法对钢筋的塑性屈曲行为进行了数值模拟,并认为试件不发生屈曲的临界长径比不一定是 5,还与材料特性(如屈服强度大小)有关。观察实验曲线可以发现,有限元模拟结果与试验结果吻合较好。当 l/d≤15 时,试件屈曲应力不低于材料屈服强度,且长细比越小,屈曲后性能越稳定,退化程度越小、越缓慢。由此可见,采用 ANSYS 程序可以较好地模拟不同长细比钢杆的塑性屈曲及屈曲后性能。

 

结语:

 

梁、柱、T 型钢材料的变化对连接节点的受力性能的影响比较显著,材料屈服强度变高,连接节点的初始刚度、承载能力均变大,但耗能能力却降低。新型梁柱节点通过添加螺杆可以明显提高纯角钢节点的强度和刚度,但节点延性与所用螺杆的变形及抗疲劳断裂能力有关。角钢连接节点因角钢安装预应力效应而具有小变形下的非线性伪弹性行为。钢螺杆连接节点因其螺杆断裂而具有脆性破坏特征。

参考文献

[1]舒兴平,胡习兵.T 型钢半刚性连接节点的承载力分析[J].

钢结构,2011,20(5):35-40.

[2]童根树,米旭峰.钢框架内嵌带竖缝钢筋混凝土剪力墙的

内力计算模型[J].建筑结构学报, 2012, 27(5): 39-46.

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