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由于钢管混凝土结构能充分发挥混凝土和钢材两种材料的特点,且具有综合经济效益好、强度高、延性好、抗震性能优越、施工周期短等优点,近年来在高层建筑中得到较多应用。梁柱节点的性能是结构整体性能的关键,目前对矩形钢管混凝土柱-H型钢梁节点研究尚不完善,主要是针对正交梁枉节点的研究较多,而对斜交节点的研究较少。本文针对南京四方现代艺术博物馆工程中的矩形钢管混凝土柱-H型钢梁空间斜交节点,运用软件ANSYS软件对该类节点进行了较为系统的非线性有限元分析,研究该类节点的受力机制、变形特点和破坏形态,为工程设计提供参考依据。
本文的主要研究内容如下:
1.参考国内外的研究成果,对矩形钢管混凝土节点的设计准则、构造要求、承载力的计算等进行系统的归纳总结,探讨斜交梁柱节点的传力机理。
2.对几种典型的矩形钢管混凝土柱-H型钢梁空间斜交节点,分别模拟分析了单调加载和低周往复加载下节点的受力性能,较为精确地分析了节点区应力分布规律、各节点的破坏模式、节点滞同性能、耗能性能、极限承载力以及倾角对节点性能的影响。分析结果表明:1)单调加载下,梁柱空间相交角度对斜交节点的承载力影响甚微。2)从低周往复荷载作用下各节点的滞同曲线和骨架曲线可以看出:水平斜交和竖向斜交角度对外隔板式节点的滞同性能影响很小。3)从各节点的能量耗散系数可知:水平斜交中柱节点的能耗系数基本一致,表现出良好的耗能能力,竖向斜交角度越大其能耗系数越小。
3.通过对多个不同参数的梁柱斜交节点的非线性有限元分析,探讨了柱轴压比、外隔板外伸宽厚比及外伸长度对节点性能的影响。分析结果表明:1)在不同轴压比下,各节点的荷载位移曲线基本一致,各节点仅在弹塑性阶段稍有差异;各节点滞回曲线基本一致;同一节点的能耗系数差别很小。2)外隔板不同外伸宽度下,各节点荷载位移曲线基本一致;各节点的滞同曲线变化不大,水平斜交节点的能耗系数稍有差别,而竖向斜交节点的能耗系数基本一致。3)不同外隔板外伸长度下,节点的刚度随外隔板外伸长度的增大而增大,外隔板外伸长度大的节点具有更高的承载力;各节点均表现出较好的滞同性能:节点外隔板外伸长度越大,节点的能耗系数稍有降低,但差别不大。4)核心混凝土的强度对节点的承载力和滞同性能影响不显著;核心混凝土强度越大,节点的能耗系数越大,节点的耗能性能越好。
4.根据理论分析结果,并参考相关设计规程,总结规纳了该类节点抗弯承载力、抗剪承载力验算表达式,给出了节点的设计建议。