双板连接钢管混凝土组合异形柱梁节点抗震性能研究

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双板连接的L形钢管混凝土组合异形柱(简称双板连接L-CFST柱)结构体系具有结构性能和建筑效果上的突出优势,应用前景广阔。梁柱节点是体系中关键的传力部位,而中节点L形柱两侧节点构造的不一致导致了两侧节点抗震性能的差异性和复杂性,目前尚缺乏对该节点抗震性能的系统研究,缺少对其性能的认识,体系设计也缺少理论依据。为了解决上述问题,本文对双板连接L-CFST柱梁节点的抗震性能进行了系统研究,主要工作和获得的成果如下:
  1.完成了5个足尺双板连接L-CFST柱梁节点试件在梁端往复荷载下的拟静力试验,试件变化参数包括节点竖向肋板形式、柱内是否填充混凝土等。对节点承载力、延性、耗能能力、强度和刚度退化等抗震性能评价指标进行分析,研究了不同参数对节点抗震性能的影响。结果表明:节点滞回曲线为饱满梭形,强度和刚度退化稳定,变形和耗能能力可达到或超过同类节点水平;与同类节点相比,中柱两侧节点的抗震性能较平衡,节点最终的破坏形式包括梁翼缘屈曲形成塑性铰、竖向肋板端部的连接板延性开裂等;钢管内混凝土可提高节点刚度、延性和耗能能力,竖向肋板削弱为梯形对节点抗震性能影响较小。
  2.利用ABAQUS建立5个试件对应的三维非线性精细有限元模型,将数值模拟与试验的滞回曲线、骨架曲线、现象、应力分布等结果进行对比后发现二者符合较好,验证了有限元建模方法的准确性和可靠性。基于试验和数值模拟结果,对节点工作机理进行了分析,明确了节点受力机理和变形组成,确定节点为刚接节点和全强度节点。
  3.使用经过验证的有限元建模方法进行参数化分析,研究了柱钢管壁厚和强度、端板厚度等参数对节点连接抗震性能的影响。提出了两种抗震优化措施,并引入断裂风险评价指标对其效果进行评价。结果表明:在一定范围内增大钢管壁厚度和强度、端板厚度和宽度使得节点承载力有不同程度的提高。犬骨形构造和加厚竖向肋板的优化措施可使节点关键部位断裂风险降低,提高抗震性能。
  4.基于双板连接钢管混凝土组合异形柱梁节点中竖向肋板-端板连接的构造形式,推导提出了节点的屈服和极限抗弯承载力理论计算方法,并将理论预测值与试验和数值模拟结果进行对比验证。结果表明:理论计算得到的抗弯承载力误差在11%以内,且略偏保守,提出的计算理论具有准确性和可靠性,可作为工程设计的参考依据。
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