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管桁结构搭接节点抗震性能研究

杨文伟  
【摘要】:管桁结构也称为钢管桁架结构、管桁架或管结构。是由管状截面构件连接组成的钢结构形式。由于其构造简洁,造型优美,广泛用于大跨度钢结构建筑中。 管桁结构的连接节点通常采用相贯节点型式,即支管直接焊接在主管的表面,不增加任何加劲单元,节点设计的独立性减小。所以从结构体系的整体性考虑,相贯节点是管桁结构的关键部位,也是罕遇地震下产生能量耗散的部位。要正确评价管桁结构抗震能力,必须了解其连接节点在低周往复荷载作用下的滞回性能,探究连接节点在地震作用下的破坏机理。 本文以国家自然科学基金项目《圆钢管K型、KK型搭接节点滞回性能分析及试验研究》(50968014)课题为依托,主要从理论和试验两个方面,对圆钢管K型、KK型搭接节点,内隐藏焊缝在焊与不焊两种情况下的滞回耗能开展了较为系统的研究。研究的主要内容及结论如下: K型搭接节点滞回性能的试验研究:按照K型搭接节点内隐藏焊缝焊与不焊设计了2组试件,分别对各组试件进行了拟静力往复加载试验。通过对试验数据的分析,得到了不同焊接形式K节点的滞回曲线,并对节点承载力、刚度、延性和能量耗散等性能进行了量化评价。通过分析节点域应变强度分布规律探求了节点在往复荷载下的破坏机理。研究结果表明:搭接节点内隐藏焊缝焊接时的承载能力略有提高但延性和耗能能力降低;节点的破坏模式主要以主管管壁塑性屈服破坏模式起控制作用,但支管轴向承载力引起的节点破坏也不容忽视;节点的最大变形发生在鞍点处,且支管的变形大于主管变形,被搭接管受拉时的变形比受压时的变形小,隐藏焊缝焊接节点的变形小于隐藏焊缝不焊接的节点,即隐藏焊缝焊接降低了节点的柔度;主支管管径越接近,节点的变形会越小;隐藏焊缝焊与不焊对节点刚度的影响不是十分明显,隐藏焊缝不焊接的刚度稍低于隐藏焊缝焊接的节点;隐藏焊缝焊接节点的屈服位移及极限位移小于不焊接的节点,隐藏焊缝不焊接节点的抗震性能更好;在相同位移下,隐藏焊缝不焊接的节点耗能能力大于隐藏焊缝焊接的节点,随着β、τ、Οv的增大,节点的耗能能力也在增大。 K型搭接节点滞回性能有限元数值模拟:在试验研究的基础上,采用有限元数值模拟方法对节点试验结果进行评价,并校验数值模型。在此基础上对影响K型搭接节点滞回性能的因素进行了深入研究。结果表明:隐藏焊缝不焊接节点的耗能性能优越于隐藏焊缝焊接的节点,利用非线性有限元法能够较好地预测节点的滞回性能;最大应力主要发生在两腹杆的搭接处,对于搭接节点的试件要尽量让搭接率小点;通过参数分析可以看出,τ、γ对节点滞回性能的影响比ββ的影响明显,但β、τ、γ参数变化对节点的承载力的影响不是十分显著。ββ、τ、γ参数变化下,隐藏焊缝不焊接(YN)节点的延性优越于隐藏焊缝焊接的节点(YH)。支管与主管直径比β越大,延性系数越大,表明节点延性越好;弦杆径厚比γ越大,延性系数越小,表明节点延性越差;支主管厚度比τ对节点的延性系数影响不是十分显著,表明τ对节点延性影响不大,尤其是τ对YN节点延性基本没有影响。 KK型搭接节点滞回性能有限元数值模拟:对圆钢管KK型搭接节点按照隐藏焊缝焊与不焊设计了两种分析模型。模型1—在X向有间隙,Y向四支管各自两两搭接;模型2—在Y向有间隙,X向四支管各自两两搭接;对每种分析模型,按次管的搭接次序不同各设计了4种组合形式。利用非线性有限元法,对每种搭接形式的KK型节点进行了滞回耗能的数值模拟,对其承载能力、变形能力、耗能能力等进行了量化评价,揭示了KK型搭接节点内隐藏焊缝焊与不焊对节点抗震性能的影响规律。研究结果表明:内隐藏焊缝焊与不焊对KK型搭接节点的承载力影响不是很显著,内隐藏焊缝不焊接的节点的变形及耗能性能优越于隐藏焊缝焊接的节点;由于KK型搭接节点空间效应的影响,不同形式节点的刚度退化趋势基本一致;整体分析两种模型,模型2的变形能力更为优越,说明模型2的抗震性能优越于模型1. 隐藏焊缝焊与不焊对管桁结构极限承载力的影响分析:将K型搭接节点还原于管桁结构中,按隐藏焊缝焊与不焊两种焊接方式,分析带有K型搭接节点的管桁结构的极限承载力。探究节点隐藏焊缝焊接的管桁架(YHT)与隐藏焊缝不焊接的管桁架(YNT)的破坏机理。分析结果表明:在管桁结构塑性发展过程中,YHT的承载力比YNT稍高,差值约在20%范围内;随着管桁结构连接节点偏心距的增大,隐藏焊缝不焊接管桁结构的承载力下降相对较多,为此,规范给定的不考虑偏心影响的范围,应按隐藏焊缝焊与不焊予以区分,YNT的节点的偏心范围要求应更严格点;随着β、τ值的增大,整体桁架的承载力也在增强,隐藏焊缝焊与不焊遵循同一变化趋势;在管桁结构的破坏模式方面,主要存在节点局部破坏和构件的整体失稳两种破坏模式,支管的整体失稳具有“突然性”,对结构破坏带来的后果严重,实际结构中应控制支管的长细比,避免发生支管的整体失稳;管桁结构可以采用梁单元代替壳元进行分析模型的简化计算,计算精度满足工程需要。 落地式管桁结构抗震性能分析及简化计算:拟定了一榀落地式钢管桁架结构作为基本计算模型,利用非线性有限元法,选取梁元及杆元建立了钢管桁架的刚接模型、半刚接模型及铰接模型。通过时程分析法,选取不同地震波,对不同分析模型进行了地震响应的比较分析。通过振型分解法,对落地式管桁结构抗震性能进行了变参数分析。分析结果表明:不同计算模型下的落地式管桁结构的扰度变化是不同的,半刚接模型的挠度反应最小,刚接模型次之,铰接模型的挠度反应最大。在管桁计算时,如果采用铰接模型则偏于保守,采用半刚接模型则存在不安全因素,刚接模型是管桁结构合理的分析模型;管桁结构节点域的刚度对桁架整体挠度的影响比较大,对杆件的轴力影响比较小;落地式管桁结构的弯矩主要由主管承受,弯矩较大处发生在下主管与地面接触处,且下弦杆的弯矩比上弦杆的弯矩大;影响钢管桁结构动力性能的关键参数是结构的高跨比(H/L)、截面宽高比(W/H)和榀间距(S),其中结构的高跨比(H/L)对落地式管桁结构动力性能的影响最为显著;在进行落地式钢管桁架结构设计时,将桁架结构的高跨比控制在1/32≤H/L≤1/8之间,截面的宽高比(W/H)控制在1/1.2以内,榀间距(S)控制在4mm≤S≤6.6mm以内,三个变参数在这一区间取值比较合理,在此合理取值范围内,引入了水平地震影响因子k,并对其进行了单一参数分析,结果表明:场地类别、设防烈度对k值的影响显著,地震分组对k值的影响较小。因此,将场地类别、设防烈度作为两个变参数,进行落地式管桁结构水平地震影响因子k的分析,得到了上弦杆、下弦杆、腹杆在不同场地、不同设防烈度下的k的取值,为管桁结构杆件的初选截面提供了设计依据,并为管桁结构的概念性设计提供了参考。 最后,在以上研究的基础上,探讨了该领域存在的问题及需进一步研究的方向。


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