梁端翼緣擴(kuò)大型連接鋼框架抗震性能研究.pdf

1、鋼框架結(jié)構(gòu)在多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。已有研究表明,鋼框架中梁柱節(jié)點(diǎn)的連接性能直接影響框架結(jié)構(gòu)在荷載(尤其是動(dòng)力荷載)作用下的整體行為。而傳統(tǒng)的鋼框架梁柱剛性焊接節(jié)點(diǎn)延性較差、殘余應(yīng)力較大,是其容易發(fā)生脆性破壞的重要原因。對(duì)鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗震優(yōu)化設(shè)計(jì),發(fā)展新的梁柱節(jié)點(diǎn)類型是提高多高層鋼框架抗震性能的關(guān)鍵。本論文通過(guò)試驗(yàn)研究和理論分析,系統(tǒng)研究了梁端翼緣擴(kuò)大型鋼框架的耗能能力和抗震機(jī)理,為新型延性鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提

2、供理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。主要開展了以下研究工作:
　　(1)進(jìn)行了兩類梁端翼緣擴(kuò)大型梁柱連接試件(翼緣直接擴(kuò)大加強(qiáng)型和翼緣外加焊?jìng)?cè)板加強(qiáng)型)和普通栓焊連接試件的擬靜力試驗(yàn)研究,獲得試件在循環(huán)荷載作用下的變形規(guī)律及破壞模式,并對(duì)不同連接形式試件的滯回曲線、骨架曲線、變形能力、耗能能力、強(qiáng)度及剛度退化等力學(xué)性能進(jìn)行了比較分析。研究結(jié)果表明,梁端翼緣擴(kuò)大型連接試件均產(chǎn)生了明顯的塑性變形,在遠(yuǎn)離梁柱連接根部區(qū)域形成塑性鉸,避免了梁柱間焊縫的脆性

3、破壞,耗能能力明顯提高,延性系數(shù)均高于3.0,有利于實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)連接弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)思想。另外,比較分析發(fā)現(xiàn)圓弧形擴(kuò)翼加強(qiáng)型連接試件應(yīng)力傳遞更加順暢,且塑性鉸位置明確,其綜合性能優(yōu)于側(cè)板加強(qiáng)型連接,因此工程應(yīng)用中建議優(yōu)先采用翼緣擴(kuò)大型連接節(jié)點(diǎn)。
　　(2)利用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS建立數(shù)值計(jì)算模型,通過(guò)施加低周循環(huán)荷載,研究分析了連接形式和參數(shù)變化對(duì)試件抗震性能的影響,從應(yīng)力傳遞和塑性發(fā)展等方面分析了地震荷載作用下加強(qiáng)型梁柱連接的

4、力學(xué)行為和耗能表現(xiàn)。與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)兩者的構(gòu)件破壞形態(tài)一致,荷載—位移曲線、構(gòu)件承載能力、屈服荷載及延性系數(shù)均接近,驗(yàn)證了有限元分析方法的可靠性。分析結(jié)果表明,通過(guò)梁端加強(qiáng)翼緣板可以明顯降低梁端焊縫處的應(yīng)力水平;對(duì)翼緣擴(kuò)大延緩了梁端應(yīng)力的增長(zhǎng),降低了構(gòu)件屈服階段的梁端應(yīng)力水平,并使設(shè)計(jì)塑性鉸區(qū)段的應(yīng)力得以充分發(fā)展,達(dá)到迫使塑性鉸外移的目的,并可產(chǎn)生較大的塑性變形,增強(qiáng)耗能能力。有限元分析結(jié)果也表明翼緣直接擴(kuò)大型連接的綜合性能優(yōu)于

5、側(cè)板加強(qiáng)型連接。根據(jù)對(duì)梁端翼緣擴(kuò)大型連接的加強(qiáng)參數(shù)(加強(qiáng)段長(zhǎng)度、過(guò)渡段長(zhǎng)度及加強(qiáng)段梁翼緣寬度等)的敏感性分析,給出了連接參數(shù)的合理取值范圍。
　　(3)在梁柱連接節(jié)點(diǎn)抗震性能研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)擬動(dòng)力試驗(yàn)方法,研究了采用梁端翼緣擴(kuò)大型連接的大比例鋼框架整體在地震荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)和抗震性能,獲得了鋼框架在經(jīng)歷地震荷載時(shí)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力反應(yīng)水平和應(yīng)變、變形發(fā)展情況。結(jié)果表明,在彈性階段,相當(dāng)于地震設(shè)防烈度9度的多遇地震作用下,結(jié)構(gòu)

6、最大層間位移小于抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的限值,試驗(yàn)鋼框架具有較好的抗震能力。試驗(yàn)?zāi)Ｐ投雍鸵粚蛹铀俣葧r(shí)程曲線的反應(yīng)趨勢(shì)基本一致,但波峰、波谷出現(xiàn)時(shí)刻不盡相同;各層位移反應(yīng)和峰值位置基本一致,隨著地震加速度峰值的增加,位移反應(yīng)峰值位置有所改變,二層加速度反應(yīng)峰值相對(duì)降低?；准袅﹄S地震強(qiáng)度增加而增長(zhǎng),反應(yīng)結(jié)構(gòu)在彈性工作狀態(tài)下地震響應(yīng)對(duì)地震動(dòng)強(qiáng)度的依賴性。同時(shí),試驗(yàn)結(jié)果也表明基底剪力最大反應(yīng)時(shí)刻并不是固定的?；准袅Α⒍游灰茰厍€穩(wěn)定呈梭形,具

7、有良好的地震反應(yīng)。
　　(4)通過(guò)擬靜力試驗(yàn),研究了梁端翼緣擴(kuò)大型鋼框架試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诜磸?fù)水平荷載作用下的傳力機(jī)制、耗能模式及其破壞形態(tài)。結(jié)果表明,在彈性范圍內(nèi)梁端翼緣擴(kuò)大型連接鋼框架在內(nèi)力和變形方面與普通框架基本一致,進(jìn)入塑性階段后鋼框架首先在梁端翼緣擴(kuò)大段末端形成塑性鉸,實(shí)現(xiàn)了塑性鉸遠(yuǎn)離梁柱節(jié)點(diǎn)域而有效地保護(hù)梁端復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域不受破壞的目的。其耗能能力和結(jié)構(gòu)延性變形能力較強(qiáng),降低了基底剪力,整體結(jié)構(gòu)抗震性能良好。
　　(5)利

8、用有限元分析程序ANSYS,分別通過(guò)彈塑性時(shí)程分析和循環(huán)荷載分析,研究了采用梁端翼緣擴(kuò)大型連接鋼框架在地震荷載作用下的力學(xué)行為。對(duì)試驗(yàn)鋼框架的有限元計(jì)算結(jié)果表明鋼框架的最大應(yīng)力首先出現(xiàn)在一層框架梁下翼緣加強(qiáng)段末端的截面處,有效實(shí)現(xiàn)了塑性鉸外移,與試驗(yàn)結(jié)果一致。分析表明梁端翼緣擴(kuò)大型連接鋼框架與普通鋼框架相比承載能力和結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度有所提高,但塑性變形能力明顯增強(qiáng)。與普通框架相比,進(jìn)入塑性階段后梁梁端翼緣擴(kuò)大型連接鋼框架由于塑性鉸的出現(xiàn)增

9、加了結(jié)構(gòu)自振周期從而可以降低基底剪力,對(duì)結(jié)構(gòu)抗震非常有利。
　　另外,通過(guò)計(jì)算比較了不同塑性鉸位置對(duì)鋼框架整體性能的影響,結(jié)果表明在一定范圍內(nèi)塑性鉸均能出現(xiàn)在設(shè)計(jì)位置,但當(dāng)塑性鉸位置離開梁端距離過(guò)大時(shí)會(huì)造成節(jié)點(diǎn)域和柱底應(yīng)力增大影響塑性鉸的發(fā)展機(jī)制;塑性鉸位置離開梁端越遠(yuǎn)框架水平抗剪承載力就越高,同時(shí)結(jié)構(gòu)變形和延性系數(shù)則隨之降低;強(qiáng)烈地震作用下,塑性鉸外移能夠降低結(jié)構(gòu)側(cè)向位移,但基底剪力隨塑性鉸外移距離增加而增加,綜合分析建議塑性鉸