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《天津大学》 2004年
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钢结构刚性梁柱节点抗震性能的研究

张莉  
【摘要】:被认为抗震性能卓越的钢结构在美国Northridge地震和日本Kobe地震中发生了大量的脆性断裂现象,而这些脆性破坏绝大多数都起源于焊接梁柱节点。随着钢结构日益广泛的应用,研究焊接钢结构的抗震性能具有显著的社会效益和经济效益。本文主要针对钢结构刚性梁柱节点的抗震性能进行了研究。 建立了考虑节点全部细节的栓焊混合连接节点和全焊连接节点的三维实体有限元模型,分析了刚性梁柱节点的抗震性能,并且首次对上述两种类型刚性节点的抗震性能进行了比较。计算结果表明,和全焊节点相比较,栓焊混合连接节点剪切板角焊缝两端的应力集中明显较低,且结构整体的弹性刚度和承载力较大,其性能优于全焊节点,因而推荐采用栓焊混合连接节点。 通过三维弹塑性有限元计算,首次系统研究了焊接工艺孔形式和板域强度对刚性梁柱节点抗震性能的影响。通过改进工艺孔的形式可以显著降低焊接孔根部发生断裂的可能性。焊接孔扩大型节点对于抗震性能的提高效果不明显,而且由于其结构整体的承载力较低,因而并不可取。美国联邦应急管理局FEMA 提供的焊接工艺孔形式可以显著改善节点的抗震性能,但是将焊接工艺孔的末端梁腹板与梁翼缘的交角作为控制其尺寸的一个重要参数是不实际的,建议采用焊接工艺孔的末端离柱面的距离代替之,此距离的最佳大小应该视具体的梁翼缘焊缝尺寸而定。增大板域强度,可以显著降低梁腹板角焊缝根部发生断裂的可能性,且两侧成对增设6mm 厚的补强板已然足够。 基于断裂力学有限元分析,以应力强度因子K 和裂纹尖端张开位移CTOD 作为断裂力学参量,首次研究了梁翼缘焊缝强度匹配对其断裂韧度要求的影响。刚性梁柱节点梁端塑性转角和对梁翼缘焊缝断裂韧度的要求基本上呈线性关系。连接梁翼缘和柱翼缘的对接开坡口焊缝采用高匹配能够显著降低对其断裂韧度的要求,降低钢框架梁柱节点发生脆性断裂的可能性,因而梁翼缘焊缝建议采用高匹配。 首次全面系统地研究了地震载荷的两大重要特征:动载和预应变对典型建筑结构用钢Q235B 和16Mn 两种材料焊接接头的基本力学性能和断裂行为的影响。两种材料焊接接头在动载和预应变下的屈服强度和抗拉强度均有所提高,但对其塑性影响均不大。常温下,和静载相比,在50mm/s 和100mm/s 的加载速率水平下,16Mn 钢焊缝和母材以及Q235B 焊缝的断裂韧度均有所提高,而对于Q235B母材其断裂韧度明显降低;而预应变下,两种材料焊缝和母材的断裂韧度均有所降低。预应变对材料断裂韧度的影响更为不利,在进行钢结构梁柱节点的抗震设计和选材中,应该充分考虑预应变对材料断裂韧度的影响。
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