一种可滑移半刚性柱脚的受力分析及应用

发布时间：2020-06-03 12:01

【摘要】：在现代结构体系的发展中,钢结构占有举足轻重的地位,在高层钢框架结构中,节点连接是结构系统中重要的组成部分,构件之间的连接通常认为是完全刚接或铰接,这种假设可以简化工作,但是实际上任何一种连接方式都是处于刚接和铰接之间的半刚性连接。而柱脚作为上部结构与基础的连接部位,它的半刚性具有重要的研究价值。本文所提出的柱脚模型,是利用椭圆形的滑移孔和高强螺栓将柱脚连接,通过底板之间、底板与基础之间的摩擦滑移来进行耗能的半刚性节点。柱子在受到竖向轴力和螺栓预紧力的作用下,当柱脚所承受的剪力大于柱脚产生滑动所需要的静摩擦力时,柱脚就会产生滑移。通过对模型进行简化计算,对节点的剪力—滑移曲线和弯矩—转角曲线进行了理论研究。对模型运用ANSYS有限元软件进行单向水平位移加载,得到了该柱脚节点的弯矩—转角和剪力—滑移的本构关系曲线,并与理论分析进行了比较和分析;同时分析了不同轴压比和不同摩擦系数对两种曲线的影响;轴压比越大,摩擦抗力就越大,模型就越不容易滑动。摩擦系数越大,模型的剪切刚度和剪切承载力越大,柱脚节点越接近于刚性连接。再建立与之对应单底板柱脚模型,比较了两者的剪力—滑移曲线和弯矩—转角曲线关系。在水平往复循环荷载的作用下,可以得到单、双层底板半刚性柱脚模型相对应的剪力—滑移滞回曲线,并对两种柱脚的耗能性能进行了对比分析。当施加相同的位移荷载,单层底板柱脚模型产生的滑移位移要小于双层底板柱脚模型,并且单层底板柱脚模型产生相同的滑移量需要更大的剪力。并分析了剪切滞回性能与摩擦系数之间的关系,通过对比发现,在一定程度上,摩擦系数太大不利于柱脚滑移,半刚性特性不明显。建立了三个平面框架模型,均为两层两跨,一个模型的柱脚均为刚接,另外两个模型的柱脚均为半刚性连接,其中一个框架为双层底板半刚性连接,另一个框架为单层底板半刚性连接。分别绘制出在往复循环位移荷载的作用下三种框架的剪力—滑移滞回曲线。可以发现,双层底板柱脚节点半刚性框架的滞回曲线饱满程度较高,表明了双层底板柱脚节点半刚性框架的滞回耗能性能要明显优于单层底板柱脚节点半刚性框架和刚性框架,对结构的抗震更有利。
【图文】：

关系曲线,柱脚,剪力,滑移

位移量 Δ=(D-d)/2+γ+γ1，卸载时 γ1无法复原，如果反方向加载Δ=-(D-d)/2-γ-γ1。理论计算将通过数值计算来得到剪力—滑移的理论曲线。向轴力 N 和螺栓预紧力 P1作用下，柱脚的最大静摩擦力f 10.9 n μ P + μN= 267.36 kN，式中，fn ：传力摩擦面数目。板在滑动过程中，，使螺栓杆与孔壁接触以后，单个螺栓的抗2-1)进行计算，经计算得到bvN=281.344 kN。2b bv v vπ4dN = n f螺栓孔壁承压抗剪承载力为bcN ：b bc cN = df t=20 × 640 × 30=3螺栓的抗剪承载力值：b b bmin v cN = min{ N ， N}=281.344 kN。整体截面的抗剪承载力值：b bv minN N8 8 281.344′= × = × = 2250图 2-4 为经理论计算得到的剪力—滑移曲线图。

模型图,螺栓,模型,螺栓杆

通过高强螺栓来对其进行固定，限位孔的尺寸可用来限制滑移的模型中柱脚的底板共设置了八个螺栓，均可产生滑移，在初始竖力的作用下，柱脚会产生最大的初始静摩擦力，所受剪力的大小脚底板是否会产生滑动，当剪力克服初始摩擦力后，柱脚的两块不同程度的滑移。在建模时，由于要在柱顶施加竖向轴力和水平柱子的顶部设置了防止应力集中的顶板。通过焊接连接肋板、柱建模过程中，为了简化建模，做了部分简化，将螺栓杆和螺栓帽，忽略螺帽下垫片的建模，直接将其厚度计入螺帽厚度中。并将为一个整体，其次，由于实际柱脚底部的基础板和高强螺栓都是凝土基础中的，为了简化计算，在建模时，忽略了钢筋混凝土基及其内部锚固的螺栓杆长度，而是直接对基础板底部和螺栓杆端理。螺栓和整体柱脚的几何模型如图 3-1~2 所示。
【学位授予单位】：石家庄铁道大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU391

【参考文献】