考虑组合楼板效应装配式钢框架节点抗震性能研究

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装配式钢框架由框架柱、梁和组合楼板组成,属于绿色建筑范畴。梁柱节点属于受力最复杂的区域,在钢框架震害和工程事故中,破坏位置多发生在此处。在装配式钢框架结构中,节点采用全螺栓连接形式,传力路径更简明,具有较大的转动变形能力,使结构弯矩分布更趋合理,整体变形能力和延性得到提高。组合楼板一般采用压型钢板混凝土组合楼板,可以有效限制钢梁局部屈曲失稳,但同时限制了节点转动变形。现有的钢节点研究多集中在梁柱构造以及连接形式,对组合楼板的影响关注较少。因此本文主要研究内容为考虑组合楼板效应装配式钢框架节点抗震性能研究,以端板连接循环加载试验为基础,通过理论推导、数值模拟来对考虑组合楼板效应的栓焊连接、端板连接、顶底角钢连接节点分别进行抗震性能分析以及楼板塑性损伤开裂分析,其中对节点重要构造如组合楼板、节点连接件、压型钢板类型开展参数化分析研究。1)按规范计算公式设计了栓焊连接、端板连接、顶底角钢连接三种类型钢节点,并计算了不同楼板厚度的弹性阶段承载力的理论值。用有限元软件ABAQUS建模模拟三种节点循环加载试验并提取了数值模拟结果。结果表明:对比节点理论值发现,组合楼板会提高节点弹性阶段的承载力;组合楼板越厚,承载力增加越大,其中顶底角钢连接最为明显。在端板连接低周往复加载试验中,荷载较大时端板中部大面积鼓起,端板加劲肋处变形严重接近破坏;端板连接的耗能能力较好,其抗震性能较为优越。2)对三种连接形式及变连接件尺寸的梁柱节点进行有限元建模计算模拟,提取对比弯矩-转角曲线并判断节点刚度类别,通过整理对比极限承载力、初始转动刚度、耗能能力、节点域最大转角研究三种节点的抗震性能。结果表明:栓焊连接接近于刚性连接、顶底角钢连接接近于铰接、端板连接属于半刚性连接;栓焊连接节点的抗震性能最好,端板连接次之,顶底角钢连接抗震性能最小;对比节点域最大转角,顶底角钢连接最大,栓焊连接最小,端板连接介于二者之间;连接件厚度对栓焊连接与端板连接的抗震性能有一定的影响,当连接件厚度增加,其极限承载力、初始刚度等均略有提升,而角钢加劲肋对顶底角钢连接与端板连接的抗震性能有较大提高。3)通过考虑组合楼板效应下钢框架节点弯矩-转角曲线,总结归纳出组合楼板效应的相关规律。对组合楼板厚度、压型钢板类型的抗震性能影响进行了数值模拟分析。并且还对钢框架节点中高强螺栓和抗剪栓钉连接件应力分布,混凝土楼板的裂缝开裂开展分析研究。结果表明:当增加组合楼板后,节点的抗震性能有明显提升。组合楼板厚度增加至120mm之后对节点抗震性能方面的影响很小;开口型压型钢板的抗震性能要优于闭口型压型钢板;抗剪栓钉所受的应力是由栓钉底部沿栓钉纵向逐渐减小,抗剪栓钉所受的最大应力是随着混凝土厚度的逐渐增加而增大的;当受到竖向荷载时,组合楼板中混凝土塑性损伤的位置在梁柱相交处,混凝土楼板中部大面积开裂。
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