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钢框架梁柱腹板连接在循环荷载作用下的滞回性能及抗震设计对策

郭秉山  
【摘要】:在Northridge和阪神地震中钢结构框架梁柱连接发生了大量破坏,此后世界范围内对梁柱连接的受力性能展开了广泛研究,但对钢框架梁柱腹板连接抗震性能的研究甚少。钢结构框架一般纵横两个方向均为框架,梁柱腹板连接非常普遍,构造和受力性能与翼缘连接不同,而且理论分析和设计更为困难,研究钢框架梁柱腹板连接在循环荷载作用下的受力性能和破坏机理并提出抗震设计对策,具有重要的理论意义和重大的工程应用价值。 本文考虑大变形、大应变、螺栓预拉力及螺栓处的接触滑移、材料的强化和软化,采用Mises屈服准则、双重非线性空间单元,建立的非线性有限元模型能够比较精确地模拟梁柱腹板连接在循环荷载作用下的受力性能。在用本文确立的材料、几何和状态三重非线性有限元方法计算的结果和试验结果验证后,对18个系列59个梁柱腹板连接试件在单调荷载作用下的受力性能和循环荷载作用下的滞回性能进行了非线性有限元模拟和分析研究,这在国内外尚属首次。从滞回曲线可知,大多数试件的塑性转角在0.024~0.028rad之间。根据计算结果,对梁柱腹板连接的应力分布、对接焊缝在循环荷载作用下的破坏机理进行了分析研究,表明:梁翼缘对接焊缝在强震中脆断的根本原因是两端存在着严重的应力集中且在大位移下处于三向同号应力状态;剪切板边缘处的梁截面是受连接影响最大且是梁受力最大的截面;由于梁腹板切角造成几何外形不连续等因素使得连接附近梁截面应力分布与经典梁理论误差较大,剪切板和连接附近梁腹板上的剪应力沿高度呈反向抛物线分布,两端存在严重的应力集中且处于复杂应力状态。本文系统地研究了柱翼缘厚度、柱翼缘宽度、梁截面高度、梁翼缘厚度、柱轴向压力、高强螺栓的预拉力、梁的跨度、钢材的屈服强度、焊缝的屈服强度、梁翼缘连接板的厚度和伸出长度、柱设置加劲板肋的情况、焊接衬板的处理方法等参数的变化对梁柱腹板连接受力性能影响,并对中间节点、弱梁连接进行了计算和分析,得到了一系列重要结论,给出了剪切板的强度计算公式、柱轴压比与连接承载力的关系式等,填补了国内外在这个领域研究的空白。根据研究结果,提出了改善钢框架梁柱腹板连接抗震性能的计算和构造设计建议。 本文所建立的有限元模型考虑问题全面、精度较高,能够真实地模拟梁柱腹板连接在低周循环荷载(地震)作用下的受力行为。本文研究的内容系统、广泛,结论及建议对工程设计和规范修订具有重要的参考价值,为进一步研究钢框架梁柱腹板刚性连接以及钢框架整体的抗震性能打下了良好的基础。


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