铸钢件连接的自复位钢框架梁柱节点抗震性能研究

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铸钢件连接的节点属于一种半刚性节点,其倒角可避免焊接产生的应力集中。传统的铸钢件连接节点在地震作用下会产生较大的残余变形,导致结构发生不可恢复的破坏,为震后维修带来巨大的困难。自复位结构体系能够有效控制结构的残余变形,使结构在震后不需要或者少部分维修即可迅速恢复使用功能。本文为解决传统铸钢件连接节点存在的缺陷,基于自复位结构的特点,提出了一种铸钢件连接的自复位钢框架梁柱节点。该类节点的梁柱通过铸钢件栓接,沿着梁翼缘内侧布置预应力钢绞线。钢绞线施加预应力后使得梁柱压紧,梁柱连接处具备满足结构正常使用的抗弯刚度。采用有限元软件ABAQUS数值模拟及理论分析相结合的方法,对铸钢件连接的自复位梁柱节点的受力机理、破坏模式、抗震性能及自复位能力进行研究,并提出节点的设计方法。本文的主要内容大体如下:(1)通过观察铸钢件连接的自复位节点的应力分布,对其受力变形情况和破坏模式进行分析。梁端荷载作用下,铸钢件屈服耗能,预应力钢绞线保证自复位性能,加载过程中梁、柱及钢绞线均保持弹性,震后仅需替换铸钢件便可将节点恢复至无损状态。节点的破坏表现为受拉铸钢件出现贯通水平肢和肋板的屈服带或者出现贯通竖肢和肋板的屈服带两种模式。(2)分析不同参数在静力荷载作用下对铸钢件连接的自复位节点承载性能的影响。钢绞线初始预应力对节点的承载性能影响最大,其次是铸钢件竖肢的厚度,铸钢件水平肢和肋板的厚度对节点的承载性能影响相对较小。(3)从承载性能及自复位能力等方面,对具有相同参数的铸钢件连接自复位节点和传统铸钢件连接节点在低周往复循环荷载作用下的受力性能进行了全面的对比分析。结果表明:传统的铸钢件连接节点承载力低,卸载后残余位移大,而铸钢件连接的自复位节点承载力高且具有良好的自复位性能。(4)研究不同参数在循环荷载作用下铸钢件连接的自复位节点的抗震性能和自复位能力。结果表明:各节点的滞回曲线均呈现为典型的“双旗帜型”,具有良好的自复位性能和耗能能力。增加铸钢件竖肢、水平肢和肋板的厚度可以提高节点的承载力和耗能能力。而增大钢绞线初始预应力、减小钢绞线的长度或者增加钢绞线的数量可以提高节点的承载力和自复位性能,但耗能能力减弱。(5)结合数值模拟研究结果,对节点的受力性能进行理论分析,提出节点设计方法。给出铸钢件连接的自复位钢框架梁柱节点在实际工程中应用的建议:铸钢件竖肢和水平肢的厚度取钢梁腹板厚度的1.2~1.6倍,铸钢件肋板的厚度取钢梁腹板厚度的1~1.6倍,直径15.2mm的1×7钢绞线,其初始预应力取60~120k N,长度不宜小于2000mm。
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