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方钢管柱-H形钢梁梁柱连接铸钢节点力学性能研究

刘铭劼  
【摘要】:钢框架结构具有自重轻、平面布置灵活、抗震性能好、安装施工方便、构件易于标准化等优点,在多高层房屋建筑工程中有着广泛的应用。梁柱节点性能对钢框架结构性能有着重要作用。由于方钢管柱为封闭截面,其梁柱节点构造与H形钢柱节点有很大不同。对于方钢管柱-H形钢梁框架结构,梁柱节点工艺是设计和施工中较复杂的部分,梁柱节点性能对框架性能起重大作用。方钢管柱-H形钢梁梁柱连接铸钢节点是采用预制铸钢件连接方钢管柱和H形钢梁的框架结构刚性节点,具有传力明确,性能可靠,构造简单,施工方便等优点。本文采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法,对方钢管柱-H形钢梁梁柱连接铸钢节点力学性能进行研究。1)通过分析方钢管柱-H形钢梁梁柱连接铸钢节点传力机理,提出基于变形协调原则的承载力理论及计算公式。分析可知梁柱铸钢连接节点所受荷载主要由铸钢连接件环板承担,方钢管柱正面板所承担荷载可忽略不计,基于此提出以铸钢连接件环板承载力作为梁柱铸钢连接节点承载力的节点承载力公式。2)通过12个试件的节点单向拉伸承载力试验研究节点承载力性能。试验结果证明梁柱连接铸钢节点抗拉承载力主要由铸钢连接件环板截面尺寸控制,节点破坏时铸钢连接件环板被拉断,钢管柱壁厚对承载力有一定影响。方钢管内填混凝土可以提升钢管柱壁抗拉刚度,增加钢管柱壁对节点承载力的贡献,可提高节点抗拉承载力,提高幅度为10%到15%。方钢管与铸钢连接件的连接焊缝长度以及焊接方式对节点承载力性能影响很小,试验中大多数焊缝没有出现明显的破坏。3)通过11个试件的方钢管柱-H形钢梁铸钢连接节点足尺十字形试件单调加载静力性能试验研究节点静力性能。试验结果证明梁柱连接铸钢节点抗弯承载力高,变形性能好,其转动刚度符合框架结构刚接节点的要求,证明梁柱连接铸钢节点具有优越的静力性能,是一种有效的方钢管柱-H形钢梁刚接节点。梁柱连接铸钢节点受弯矩作用下由铸钢连接件承载大部分荷载,节点抗弯屈服承载力主要受铸钢连接件控制。钢管柱内填混凝土可提升节点承载力和刚度。4)方钢管柱-H形钢梁铸钢连接节点静力性能数值模拟所得荷载-位移曲线以及结构抗弯承载力结果和试验结果吻合的很好,数值模拟方法有效。方钢管柱-H形钢梁梁柱连接铸钢节点承载力主要由铸钢连接件控制;而方钢管混凝土柱-H形钢梁梁柱连接铸钢节点承载力由铸钢连接件和方钢管柱正面板共同控制。验证了方钢管柱-H形钢梁梁柱连接铸钢节点承载力理论,并对承载力公式进行了修正,使之适用于方钢管混凝土柱-H形钢梁梁柱连接铸钢节点。5)通过6个试件的方钢管柱-H形钢梁梁柱连接铸钢节点足尺十字形试件低周往复加载试验研究以及参数化数值模拟研究节点抗震性能。试验中试件体现出较高的抗震耗能能力和变形能力,未发生梁柱整体破坏。可知梁柱连接铸钢节点是适用于抗震区框架结构的有效的梁柱节点形式,可以降低框架结构连续倒塌的风险。无内填混凝土的方钢管柱-H形钢梁梁柱连接铸钢节点滞回曲线饱满,而内填混凝土的方钢管混凝土柱-H形钢梁梁柱连接铸钢节点滞回曲线有捏拢现象。节点随加载过程均表现出明显的刚度退化现象。内填混凝土节点最大荷载比无内填混凝土节点提升10%至30%左右。参数化数值模拟证明梁柱连接铸钢节点具有较高的抗震耗能能力和变形能力,抗震性能优越。


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