端板螺栓連接鋼—混凝土組合節(jié)點的抗震性能研究.pdf

1、1994年的美國Northridge地震和1995年的日本Kobe地震中最為慘痛的教訓(xùn)就是現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)焊接剛性節(jié)點的過早脆性破壞。兩次地震的震害調(diào)查發(fā)現(xiàn),鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點的連接破壞主要發(fā)生在下翼緣處,分析其破壞的主要原因為:一方面可能是混凝土樓板的組合效應(yīng)導(dǎo)致下翼緣處應(yīng)力增大；另一方面可能是下翼緣在腹板位置焊接的中斷造成焊縫缺陷。因此迫切需要探求有效的措施(如采用工廠焊接方式和鋼梁“狗骨式”削弱等)來保證節(jié)點的焊縫質(zhì)量,同時有必要深入研究混

2、凝土樓板組合效應(yīng)的影響。
　　 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)以其合理和有效地利用了鋼梁和鋼筋/鋼管混凝土柱的力學(xué)性能而逐漸被視為中、高震區(qū)的純鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的有益補充,并且日益廣泛的應(yīng)用于工程實際。為確保鋼一混凝土組合節(jié)點的施工方便性和良好的抗震性能,本文提出了新型的端板螺栓連接鋼一混凝土組合節(jié)點型式。該節(jié)點型式的特點在于:鋼梁首先在工廠焊接好端板,再在施工現(xiàn)場通過貫穿柱身的無粘結(jié)高強螺栓與鋼筋/鋼管混凝土柱連接。該類型節(jié)點無需現(xiàn)

3、場焊接,從而能夠減少現(xiàn)場焊接帶來的焊縫質(zhì)量問題,而且采用現(xiàn)場拼接的方法可以提高施工進(jìn)度,降低施工成本。同時該類型節(jié)點可以通過貫穿柱的高強螺栓和端板的共同作用有效地調(diào)動節(jié)點域混凝土參與抗剪,從而提高節(jié)點的抗震性能。由于端板螺栓連接組合節(jié)點是一種新型的節(jié)點型式,本文探討了端板螺栓連接組合節(jié)點的合理設(shè)計方法,并且采用試驗和有限元相結(jié)合的方法研究了端板螺栓連接鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗震性能及其抗震性能的影響參數(shù),具體工作如下:
　　 1、

4、通過4個足尺端板螺栓連接鋼筋混凝土柱一鋼梁節(jié)點(RCS節(jié)點)和3個足尺端板螺栓連接圓鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(CFT節(jié)點)的低周反復(fù)循環(huán)荷載試驗評估了端板螺栓連接組合節(jié)點的抗震性能。試驗考察了鋼梁類型、鋼梁“狗骨式”削弱以及混凝土樓板等因素對節(jié)點抗震性能的影響。本文試驗結(jié)果表明:具有良好焊縫質(zhì)量的端板螺栓連接鋼-混凝土組合節(jié)點具有較好的延性和耗能能力;該類型節(jié)點在反復(fù)循環(huán)荷載作用下能夠滿足抗彎組合框架的強度和剛度要求;混凝土樓板的組合效應(yīng)

5、對節(jié)點的承載力的提高顯著;同時,鋼梁的“狗骨式”削弱可以有效地把鋼梁的塑性發(fā)展控制在削弱區(qū)域從而保證節(jié)點的延性破壞模式。
　　 2、采用有限元軟件ANSYS建立了考慮材料非線性、幾何非線性和接觸非線性的端板螺栓連接組合節(jié)點的三維有限元模型,并且通過大量的算例驗證了有限元模型的有效性。通過驗證好的有限元模型分析了高強螺栓的初始預(yù)緊力、端板螺栓連接構(gòu)造、柱的軸壓比以及樓板中的混凝土強度和配筋率等因素對節(jié)點受力性能的影響。通過對節(jié)點施

6、加不同程度的螺栓預(yù)緊力分析表明高強螺栓的初始預(yù)緊力對節(jié)點的整體性能影響較小,但對節(jié)點的局部應(yīng)力有一定影響:對采用了不同厚度的端板的節(jié)點研究表明端板厚度對節(jié)點的剛度有一定的影響,但是當(dāng)端板抗彎強度大于翼緣強度后再增加端板厚度對節(jié)點的受力性能影響很小;通過改變節(jié)點樓板中混凝土強度和配筋率的對比研究表明:由于混凝土的抗拉強度較低,樓板中混凝土強度的變化對組合節(jié)點的負(fù)向承載力影響較小,但是混凝土樓板的存在使得其負(fù)向承載力高于純鋼梁節(jié)點。同時,隨

7、著樓板配筋率的增加,節(jié)點的負(fù)向承載力提高明顯,但是樓板配筋率的改變對正向承載力的影響很小?；炷恋膹姸忍岣邥r,組合節(jié)點的正向承載力也相應(yīng)的提高,混凝土樓板的存在可以使節(jié)點的正向承載力提高80％之多。因而在計算節(jié)點的“強柱弱梁”系數(shù)以及端板螺栓連接設(shè)計時都應(yīng)該考慮混凝土樓板的影響。
　　 3、提出了端板螺栓連接節(jié)點的分析模型,并采用有限元軟件OPENSEES對本文設(shè)計的共計12榀端板螺栓連接鋼-混凝土組合框架進(jìn)行了Pushover

8、分析和非線性時程分析以評估端板螺栓連接鋼-混凝土組合框架的抗震性能,并且重點考察了混凝土樓板的組合效應(yīng)以及鋼梁的“狗骨式”削弱對端板螺栓連接框架抗震性能的影響。通過有限元軟件OPENSEES的分析表明:本文建議的端板螺栓連接組合節(jié)點的分析模型能夠較好的模擬端板螺栓連接節(jié)點的受力性能,分析結(jié)果和試驗結(jié)果吻合良好;端板螺栓連接鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能,能夠滿足抗震規(guī)范要求;考慮混凝土樓板的組合效應(yīng)后,框架的承載力會有所提高?？紤]

9、了混凝土樓板強度貢獻(xiàn)的框架的Pushover分析得到的最大基底反力為不考慮混凝土樓板強度框架的1.1倍。同時,考慮混凝土樓板的強度貢獻(xiàn)使得框架的梁-柱一節(jié)點域的強弱可能會發(fā)生改變,導(dǎo)致柱端和節(jié)點域區(qū)可能出現(xiàn)較大的塑性變形;另外,鋼-混凝土組合框架按照彈性側(cè)移率控制時,其強度有一定的富余,而采用鋼梁“狗骨式”削弱可以在有效減少鋼梁強度富余的同時較小削弱整體框架的剛度,從而保證框架的梁塑性鉸破壞模式,通過設(shè)計框架的對比分析表明按照FEMA3