梁端翼緣擴大型連接鋼框架抗震性能研究.pdf

1、鋼框架結(jié)構(gòu)在多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。已有研究表明,鋼框架中梁柱節(jié)點的連接性能直接影響框架結(jié)構(gòu)在荷載(尤其是動力荷載)作用下的整體行為。而傳統(tǒng)的鋼框架梁柱剛性焊接節(jié)點延性較差、殘余應(yīng)力較大,是其容易發(fā)生脆性破壞的重要原因。對鋼框架梁柱節(jié)點進行抗震優(yōu)化設(shè)計,發(fā)展新的梁柱節(jié)點類型是提高多高層鋼框架抗震性能的關(guān)鍵。本論文通過試驗研究和理論分析,系統(tǒng)研究了梁端翼緣擴大型鋼框架的耗能能力和抗震機理,為新型延性鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計提

2、供理論和試驗基礎(chǔ)。主要開展了以下研究工作:
　　(1)進行了兩類梁端翼緣擴大型梁柱連接試件(翼緣直接擴大加強型和翼緣外加焊側(cè)板加強型)和普通栓焊連接試件的擬靜力試驗研究,獲得試件在循環(huán)荷載作用下的變形規(guī)律及破壞模式,并對不同連接形式試件的滯回曲線、骨架曲線、變形能力、耗能能力、強度及剛度退化等力學(xué)性能進行了比較分析。研究結(jié)果表明,梁端翼緣擴大型連接試件均產(chǎn)生了明顯的塑性變形,在遠離梁柱連接根部區(qū)域形成塑性鉸,避免了梁柱間焊縫的脆性

3、破壞,耗能能力明顯提高,延性系數(shù)均高于3.0,有利于實現(xiàn)“強連接弱構(gòu)件”的設(shè)計思想。另外,比較分析發(fā)現(xiàn)圓弧形擴翼加強型連接試件應(yīng)力傳遞更加順暢,且塑性鉸位置明確,其綜合性能優(yōu)于側(cè)板加強型連接,因此工程應(yīng)用中建議優(yōu)先采用翼緣擴大型連接節(jié)點。
　　(2)利用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS建立數(shù)值計算模型,通過施加低周循環(huán)荷載,研究分析了連接形式和參數(shù)變化對試件抗震性能的影響,從應(yīng)力傳遞和塑性發(fā)展等方面分析了地震荷載作用下加強型梁柱連接的

4、力學(xué)行為和耗能表現(xiàn)。與試驗結(jié)果對比分析,發(fā)現(xiàn)兩者的構(gòu)件破壞形態(tài)一致,荷載—位移曲線、構(gòu)件承載能力、屈服荷載及延性系數(shù)均接近,驗證了有限元分析方法的可靠性。分析結(jié)果表明,通過梁端加強翼緣板可以明顯降低梁端焊縫處的應(yīng)力水平;對翼緣擴大延緩了梁端應(yīng)力的增長,降低了構(gòu)件屈服階段的梁端應(yīng)力水平,并使設(shè)計塑性鉸區(qū)段的應(yīng)力得以充分發(fā)展,達到迫使塑性鉸外移的目的,并可產(chǎn)生較大的塑性變形,增強耗能能力。有限元分析結(jié)果也表明翼緣直接擴大型連接的綜合性能優(yōu)于

5、側(cè)板加強型連接。根據(jù)對梁端翼緣擴大型連接的加強參數(shù)(加強段長度、過渡段長度及加強段梁翼緣寬度等)的敏感性分析,給出了連接參數(shù)的合理取值范圍。
　　(3)在梁柱連接節(jié)點抗震性能研究的基礎(chǔ)上，通過擬動力試驗方法,研究了采用梁端翼緣擴大型連接的大比例鋼框架整體在地震荷載作用下的動力反應(yīng)和抗震性能,獲得了鋼框架在經(jīng)歷地震荷載時結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力反應(yīng)水平和應(yīng)變、變形發(fā)展情況。結(jié)果表明,在彈性階段,相當于地震設(shè)防烈度9度的多遇地震作用下,結(jié)構(gòu)

6、最大層間位移小于抗震設(shè)計規(guī)范的限值,試驗鋼框架具有較好的抗震能力。試驗?zāi)Ｐ投雍鸵粚蛹铀俣葧r程曲線的反應(yīng)趨勢基本一致,但波峰、波谷出現(xiàn)時刻不盡相同;各層位移反應(yīng)和峰值位置基本一致,隨著地震加速度峰值的增加,位移反應(yīng)峰值位置有所改變,二層加速度反應(yīng)峰值相對降低?；准袅﹄S地震強度增加而增長,反應(yīng)結(jié)構(gòu)在彈性工作狀態(tài)下地震響應(yīng)對地震動強度的依賴性。同時,試驗結(jié)果也表明基底剪力最大反應(yīng)時刻并不是固定的?；准袅Α?、二層位移滯回曲線穩(wěn)定呈梭形,具

7、有良好的地震反應(yīng)。
　　(4)通過擬靜力試驗,研究了梁端翼緣擴大型鋼框架試驗?zāi)Ｐ驮诜磸?fù)水平荷載作用下的傳力機制、耗能模式及其破壞形態(tài)。結(jié)果表明,在彈性范圍內(nèi)梁端翼緣擴大型連接鋼框架在內(nèi)力和變形方面與普通框架基本一致,進入塑性階段后鋼框架首先在梁端翼緣擴大段末端形成塑性鉸,實現(xiàn)了塑性鉸遠離梁柱節(jié)點域而有效地保護梁端復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域不受破壞的目的。其耗能能力和結(jié)構(gòu)延性變形能力較強,降低了基底剪力,整體結(jié)構(gòu)抗震性能良好。
　　(5)利

8、用有限元分析程序ANSYS,分別通過彈塑性時程分析和循環(huán)荷載分析,研究了采用梁端翼緣擴大型連接鋼框架在地震荷載作用下的力學(xué)行為。對試驗鋼框架的有限元計算結(jié)果表明鋼框架的最大應(yīng)力首先出現(xiàn)在一層框架梁下翼緣加強段末端的截面處,有效實現(xiàn)了塑性鉸外移,與試驗結(jié)果一致。分析表明梁端翼緣擴大型連接鋼框架與普通鋼框架相比承載能力和結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度有所提高,但塑性變形能力明顯增強。與普通框架相比,進入塑性階段后梁梁端翼緣擴大型連接鋼框架由于塑性鉸的出現(xiàn)增

9、加了結(jié)構(gòu)自振周期從而可以降低基底剪力,對結(jié)構(gòu)抗震非常有利。
　　另外,通過計算比較了不同塑性鉸位置對鋼框架整體性能的影響,結(jié)果表明在一定范圍內(nèi)塑性鉸均能出現(xiàn)在設(shè)計位置,但當塑性鉸位置離開梁端距離過大時會造成節(jié)點域和柱底應(yīng)力增大影響塑性鉸的發(fā)展機制;塑性鉸位置離開梁端越遠框架水平抗剪承載力就越高,同時結(jié)構(gòu)變形和延性系數(shù)則隨之降低;強烈地震作用下,塑性鉸外移能夠降低結(jié)構(gòu)側(cè)向位移,但基底剪力隨塑性鉸外移距離增加而增加,綜合分析建議塑性鉸