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钢结构半刚性连接体系理论分析及实验研究

完海鹰  
【摘要】:早期的多高层建筑钢结构设计,为了能有效地抵抗结构的侧向荷载和降低结构在侧向荷载作用下所产生的水平位移,一般把梁柱连接设计成刚性连接。学术界和工程界也普遍认为,梁柱的刚性连接具有较好的抗震性能,因此在工程中得到了广泛应用。但是,在1994年美国的北岭(Northridge)和1995年日本的阪神大地震中,许多采用全焊接刚性连接的钢结构节点由于节点处焊缝应力集中而明显地遭到了严重的脆性破坏。这两次地震引起了工程技术人员对连接形式的重新审视,引起了人们对刚性连接这一传统观点的反思。从而,人们开始寻找和研究一种新型节点—梁柱半刚性节点,其基本思想是通过摩擦型高强螺栓以及连接件(角钢、端板以及T型钢等)把梁柱连接在一起。由已经得到的研究成果可知,梁柱半刚性连接节点具有较强的耗能能力,抵抗相当的地震荷载,能够提供更多的屈服容量和延性容量,同时还能节省节点的用钢量,这使得半刚性连接成为一种既经济又可靠的连接方式。 双腹板、顶底角钢连接以其具有明显的非线性特征而被称为典型的半刚性连接形式,但由于其破坏的形式比较复杂,影响因素较多等原因在国内外研究中触及很少。本文对半刚性连接节点和具有半刚性连接的整体钢框架进行了理论研究与实验分析。 连接节点是结构的重要组成部分,连接的抗震性能也直接影响着结构的抗震性能。节点抗震性能的研究是结构抗震性能研究的前提,因此本文首先对半刚性连接节点进行了理论和实验研究,主要完成了以下工作: 1.综述了半刚性连接的研究背景,介绍了国内外的研究情况,在总结和整理的基础上,对半刚性连接进行了较为系统的分类和研究方法的探讨,并针对双腹板、顶底角钢半刚性连接这种特定的半刚性连接进行了较为深入的理论研究; 2.在双腹板、顶底角钢半刚性连接试验研究分析的基础上,利用有限元方法对一个该类型节点进行了单向荷载作用下的数值模拟分析,得到了节点在单向加载作用下的应力变化及塑性区发生、发展直至破坏的整个过程; 3.在双腹板顶底角钢半刚性连接单向荷载数值模拟分析和节点单调加载试验的基础上,通过对该类型不同尺寸的节点进行循环荷载作用下的数值模拟分析和试验分析,得到了该类型节点在循环加载作用下的滞回曲线和刚度退化曲线,研究了该种连接的耗能性能和延性,初步建立起该种连接的滞回模型并确定了模型的参数,为研究半刚性连接钢框架在地震荷载作用下的性能提供理论依据和基础。 由上述得到的半刚性连接节点研究成果可知,该种连接具有良好的抗震性能。根据半刚性连接的性能,国内外专家学者开始研究具有半刚性连接的整体框架的动力性能,然而这方面的研究尚处于起始阶段,没有相对成熟的理论依据和实验基础。本文在参考国内外大量相关文献资料的基础上,主要完成了下面的工作: 1.采用拟动力实验,研究了双腹板、顶底角钢半刚性连接得整体框架结构在拟动力试验中各主要受力截面应变响应、层间刚度变化、框架的各层加速度响应、各层位移反应和基底剪力响应;研究了不同节点刚度钢框架,在不同地震荷载作用下的地震响应,分析了节点刚度对结构动力性能的影响。 2.由虚功原理和梁柱理论,推导出了半刚性连接杆单元的刚度矩阵,采用Reilay阻尼和Newmark数值积分法,使用Matlab软件对具有半刚性连接的平面钢框架结构编制了弹性时程分析程序,并使用该程序进行了大量的计算,分别分析了连接的半刚性对无柱间支撑和有柱间支撑平面钢框架结构在地震荷载下的结构响应特性。 试验和分析表明:半刚性连接具有稳定的滞回性能和良好的耗能性。具有半刚性连接的整体钢框架结构在地震荷载作用下具有良好的抗震性能。当框架采用半刚性节点时,尽管降低了框架的刚度和稳定性,但其又具有较好的延性和耗能能力,不但可以增加结构的阻尼,延长结构周期,而且可以降低振幅,从而达到降低震害的目的。无柱间支撑钢框架结构对连接的半刚性性能非常敏感,在高层钢框架结构中不宜使用转动刚度较小的半刚性连接形式。 半刚性节点和半刚性整体钢框架的抗震性能研究是工程界重点研究的课题之一,研究及应用前景十分广阔,可以为制定国家相关规范、指导工程设计和抗震减灾工作提供参考依据。


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