受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接性能的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值分析.pdf

1、梁-柱節(jié)點(diǎn)作為鋼框架中一個重要的組成部分，對整個結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有著十分重要的作用，節(jié)點(diǎn)一旦發(fā)生破壞可能會導(dǎo)致整個建筑物發(fā)生坍塌，造成不可估量的損失。國內(nèi)外學(xué)者對于鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的研究已經(jīng)很多，這些研究主要集中在靜力范圍內(nèi)，然而，我們生活中的各種建筑物正日益受到各種極端動荷載的影響，如爆炸、高空墜物等等，這些極端荷載對于結(jié)構(gòu)的影響與靜力荷載條件下的結(jié)構(gòu)行為是不同的。另一方面，目前對于鋼框架梁-柱節(jié)點(diǎn)沖擊力學(xué)性能的研究少之又少，國內(nèi)規(guī)范對承

2、受沖擊荷載等動荷載的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計也尚無相關(guān)的規(guī)定，因此對鋼框架梁-柱節(jié)點(diǎn)的抗沖擊性能進(jìn)行深入的分析和研究顯得尤為重要。本文國內(nèi)首次對鋼框架梁柱連接進(jìn)行抗沖擊性能實(shí)驗(yàn)研究，考察了兩種沖擊能和三種梁柱連接形式對鋼框架抗沖擊性能的影響，同時結(jié)合有限元數(shù)值模擬的方法對這一問題進(jìn)行深入探索。此后，參考文獻(xiàn)[40]中T型件實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建模，對螺栓端板工作協(xié)調(diào)性進(jìn)行初步探討，主要開展以下幾個方面的工作:
　　(I)首先結(jié)合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和數(shù)值模擬

3、技術(shù)設(shè)計了鋼框架構(gòu)件，利用高性能沖擊實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，測量鋼框架橫梁豎向、側(cè)向位移及截面內(nèi)力，并用高速攝像機(jī)捕捉?jīng)_擊過程各瞬時連接行為特征，分析了連接破壞模式。研究表明外伸式端板螺栓連接鋼框架螺栓在拉力作用下呈延性破壞，斷面纖維狀，而平齊式連接鋼框架螺栓在巨大剪力作用下發(fā)生典型脆性斷裂，斷面平齊光滑。
　　(2)運(yùn)用非線性有限元程序ABAQUS/Explicit建立鋼框架梁-柱連接數(shù)值分析模型，詳細(xì)介紹了有限元建模過程的各項(xiàng)技術(shù)

4、細(xì)節(jié)，如單元的選擇、材料模型以及接觸對的定義，并對沖擊實(shí)驗(yàn)過程中鋼框架的動力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析。通過偽應(yīng)變能與系統(tǒng)內(nèi)能的比值以及數(shù)值計算結(jié)果與沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比證明了模型計算結(jié)果的正確性。
　　(3)分析了沖擊過程的沖擊力時程曲線、動彎矩-轉(zhuǎn)角曲線和沖擊力-跨中位移曲線等特征量。通過比較可以看出，鋼框架在沖擊荷載作用下的響應(yīng)可以根據(jù)沖擊力時程曲線劃分為三個階段:撞擊階段，穩(wěn)定階段和反彈階段。在撞擊階段（包括了各特征量的第一、二峰值）

5、，鋼框架所受的沖擊力、節(jié)點(diǎn)彎矩迅速增大至峰值，相對應(yīng)的位移和轉(zhuǎn)角也迅速增大;穩(wěn)定階段是轉(zhuǎn)角、位移發(fā)展的主要階段，也是沖擊力做功和節(jié)點(diǎn)耗能的主要階段;由于鋼材的延性性能，當(dāng)落錘離開后，彈性變形部分恢復(fù)，此即為反彈階段。
　　(4)從能量轉(zhuǎn)化角度分析了不同連接形式的鋼框架的抗沖擊性能，提出了能量轉(zhuǎn)化比(ET)的概念，用以表征鋼結(jié)構(gòu)吸收沖擊能量的能力，其值為鋼框架塑性發(fā)展所耗散的能量與系統(tǒng)初始動能的比值，此后分析了結(jié)構(gòu)各組成部分對結(jié)構(gòu)吸

6、收沖擊能的貢獻(xiàn)。
　　(5)參考文獻(xiàn)[40]中T型件實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用ABAQUS/Implicit進(jìn)行數(shù)值建模，通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比驗(yàn)證模型的正確性，分析了極限狀態(tài)承載力以及延性性能。
　　結(jié)果表明:
　　①鋼框架的能量轉(zhuǎn)化比與節(jié)點(diǎn)形式無關(guān)。對于不同的梁柱連接形式的框架，當(dāng)初始動能相同時，盡管各組成部分吸收沖擊能有所差別，但是整體來說基本相同。
　?、谄烬R式連接由于對梁端的約束較差，因此梁的塑性發(fā)展更為深入，能量轉(zhuǎn)

7、化比更大，其次為外伸式連接鋼框架的橫梁能量轉(zhuǎn)化比和全焊接連接鋼框架橫梁能量轉(zhuǎn)化比;半剛性連接中柱的塑性發(fā)展基本可以忽略不計，而在剛性連接鋼框架中，柱的能量轉(zhuǎn)化比較大，約為整體的1/5，塑性變形發(fā)展也更加深入，這與實(shí)驗(yàn)中框架變形相吻合。
　　③當(dāng)初始動能一定時，鋼框架將會吸收相同的沖擊能并將其轉(zhuǎn)化為自身塑性變形;當(dāng)系統(tǒng)的初始動能不同時，初始動能越大，其能量轉(zhuǎn)化比越大。同時，對于端板和螺栓二者來說，當(dāng)撞擊物初始動能較小時，連接處以端板