钢异形柱结构体系抗震性能的理论分析与试验研究

【摘要】： 钢异型柱结构体系是以异型截面(十字形、T形、L形)柱代替普通截面(箱形、H形)柱而形成的钢结构体系,在实施可持续发展战略和推动住宅产业化发展方面具有重大的现实意义。 在国家自然科学基金项目(项目编号:50878008)资助下,本文总结了钢异型柱结构体系的特点,分析了钢异型柱结构相对于普通截面柱钢结构和钢筋混凝土异型柱结构的优势,在针对国内外学术界对钢异型柱结构体系抗震性能的研究尚处于起步阶段的现状基础上,提出了钢异型柱结构体系抗震性能研究中亟待或深入解决的实际问题。本文以强震区多高层钢异型柱结构为研究对象,以工程应用和钢异形柱结构技术规程的编制为研究目的,采取有限元理论和试验相结合的研究手段,对钢异型柱结构体系的异形柱构件、节点和平面框架的抗震性能进行了系统研究。 强震下十字形截面钢异型柱变形模式、破坏类型、抗震性能和板件宽厚比限值研究。基于36个不同截面参数组合的十字形截面钢异形柱模型在常轴力、低周反复荷载下的有限元计算,模拟其受力、变形、破坏全过程,研究了滞回曲线、骨架曲线、耗能能力等抗震性能指标,得到了翼缘宽厚比、腹板高厚比和轴压比是抗震性能的主要影响因素及其对抗震性能的影响规律,对抗震性能进行了综合评价。根据抗震设计承载力取值和整体抗震性能的要求,提出了不同轴压比下,能够在强震区使用的十字形截面钢异形柱翼缘宽厚比与腹板高厚比的组合限值公式,并对十字形截面钢异形柱的抗震设计提出建议。 强震下钢异型柱(十字形、T形、L形截面)构件的变形模式、破坏模态、抗震性能研究。分别通过1:2缩尺的8个十字形截面、8个L形截面和8个T形截面钢异形柱试验模型在低周反复荷载作用下的拟静力试验,研究了试件的变形模式、破坏模态,得到了试件的滞回曲线、承载能力、延性性能、耗能能力等抗震性能指标和板件宽厚比、轴压比对抗震性能的影响规律。对所有试件进行了与试验相同受力工况下的有限元计算。有限元计算和试验结果相互印证表明,在轴压比和翼缘宽厚比、腹板高厚比满足限值的条件下,钢异形柱(十字形、T形和L形截面)在罕遇地震作用时,其破坏模态为局部屈曲的塑性破坏;破坏时,变形以塑性为主且发展充分,有较高且稳定的抗震承载能力,具有较好的延性性能和耗能能力,能够在强震区使用。 强震下钢异型柱-钢梁节点的变形模式、破坏模态、抗震性能研究。提出了符合异形截面特点的T形截面钢异形柱-钢梁框架节点形式,通过3个足尺的T形截面钢异形柱-钢梁框架边节点试验模型在低周反复荷载作用下的拟静力试验,研究了试件的变形模式、应变分布、破坏模态,研究了试件的滞回性能、承载能力、转动能力、延性性能、耗能能力等抗震性能指标,分析了节点域强弱对抗震性能的影响规律。考虑材料非线性、几何非线性以及边界非线性,对所有试件进行了与试验相同受力工况下的有限元计算。有限元计算和试验结果相互印证表明, T形截面钢异形柱-钢梁框架节点在罕遇地震作用时,破坏模态为局部屈曲的塑性破坏,破坏前经历充分的塑性变形,塑性铰位于远离梁柱焊缝的梁截面上且发展充分,有较高且稳定的抗震承载能力,具备较好的塑性转动能力、延性性能和耗能能力,能够在强震区使用。 强震下T形截面钢异形柱平面框架变形模式、破坏模态、抗震性能研究。通过3榀1:2缩尺、等应力的T形截面钢异形柱平面框架试验模型在低周反复荷载作用下的拟静力试验,研究了框架试件的变形模式、应变分布、塑性铰分布及出现次序、破坏模态,研究了滞回曲线、骨架曲线、承载能力、延性性能、耗能能力、强度和刚度退化等抗震性能指标,分析了节点域强弱对抗震性能的影响规律。对所有试件进行了有限元计算。有限元计算和试验结果相互印证表明,T形截面钢异形柱平面框架在罕遇地震作用时,破坏模态为局部屈曲的塑性破坏;破坏时,塑性铰出现在盖板外的梁端部位和加劲肋以上柱脚部位,分别远离梁柱交界面和柱脚底板交界面的焊缝,变形以塑性为主且发展充分,各节点完好,有较高且稳定的抗震承载能力,强度和刚度退化较慢,具备较好的延性性能和耗能能力,能够在强震区使用。同时验证了本文钢异型柱、节点研究成果的正确性。 综上所述,本文针对强震区钢异型柱结构的异型柱构件、节点、平面框架,系统地研究罕遇地震荷载下的变形模式、应变分布、破坏模态,得到一系列的抗震性能指标及其影响因素和规律,证明钢异型柱、节点、平面框架具有良好的抗震性能,能够在强震区使用,取得一系列的研究成果。最后,对钢异型柱结构研究有待进一步深化的问题进行了展望。 本文研究成果为钢异型柱结构的抗震设计和钢异形柱结构技术规程的编制提供依据,在强震区具有重要的基础理论意义和工程应用价值。