带混凝土楼板的钢框架梁柱弱轴连接节点的抗震性能和设计方法研究

发布时间：2020-05-12 09:32

【摘要】：工形柱钢框架的梁柱连接的研究成果主要集中在强轴连接,且多为纯钢节点,组合节点的研究相对较少;而对带混凝土楼板的弱轴连接的研究更是少见报道。但是工形柱的强轴与弱轴连接、带混凝土楼板的组合节点与纯钢节点的力学性能和破坏机理有明显的不同;而且常见的工形柱弱轴楔形加劲板连接存在塑性转动能力差和柱腹板易于发生破坏等问题。本文开展了节点域箱形加强式工字形柱弱轴连接(以下简称新型弱轴连接)组合节点的试验研究及理论分析,是对现有钢框架节点研究的拓展和提升,可以为该领域的研究提供一个新的思路和方向,也可以为工程设计提供一个可靠的弱轴连接选择。本文对新型弱轴连接组合节点进行了试验研究和数值模拟分析研究。试验研究包括:5个足尺纯钢中节点试件和5个足尺组合中节点试件的柱顶水平循环加载试验,试件的梁端处理方式分别为标准型(未处理)、削弱型(RBS)、加强型(盖板、扩大翼缘、加腋);钢材母材和焊缝熔敷金属的单向拉伸试验;混凝土立方体试块的抗压强度试验。运用有限元软件ABAQUS 6.14-1进行数值模拟分析,包括对试验试件的模拟验证和新型弱轴连接组合节点模型的参数分析。依据参数分析结果,提出了上窄下宽不对称梁翼缘且仅梁下翼缘削弱的新型弱轴连接组合节点形式;并对弱轴连接组合钢框架进行弹塑性动力时程分析,分别考虑了楔形加劲板弱轴连接、梁端标准型新型弱轴连接、采用梁下翼缘削弱的不对称工形梁截面的新型弱轴连接及按轴压比基本相同为原则设计的箱形柱连接共4种节点形式,分析其动力响应的差异。然后基于“组件法”推导了新型弱轴连接组合节点的初始转动刚度,根据试验和有限元结果提出了更加贴合实际的组合梁截面的应力分布假设,并推导了组合梁的承载力计算方法,通过与有限元结果的对比,验证了推导方法的适用性。最后根据试验中蒙皮板出现拉裂的情况,运用屈服线理论推导了新型弱轴连接中的关键组件“蒙皮板”的厚度取值公式,提出了相应的抗震设计对策及建议。循环荷载试验研究结果表明:混凝土楼板会导致组合梁截面中和轴显著上移,从而增大梁下翼缘应力;在验算“强柱弱梁”时需要考虑组合效应的影响;所有试验的节点构造基本可以满足框架结构在罕遇地震作用下抗震设防要求的“大震不倒”;合理设计的新型弱轴连接组合节点可以满足在层间位移角为0.04 rad时,抗弯承载力大于0.8M_p的要求;保证焊接质量是避免节点脆性破坏的首要保证,同时建议蒙皮板材料选用抗层间撕裂的Z向钢板。对新型弱轴连接组合节点进行系列参数分析时考虑的参数包括焊缝通过孔细部尺寸、楼板配筋率、楼板厚度、不对称钢梁截面及RBS(Reduced Beam Section)削弱参数等。结果表明:梁上、下翼缘焊缝处于三向受拉状态;设计蒙皮板时,应重点对梁下翼缘焊缝对应部位蒙皮板的强度进行检验;对于新型弱轴连接组合节点而言,按规范进行承载能力计算偏于不安全;采用上窄下宽的不对称钢梁截面,可以减小梁下翼缘对接焊缝应力集中的程度和脆断的风险;对不对称钢梁截面进行下翼缘削弱处理时,为了使得塑性铰有效外移并减小梁翼缘焊缝处的破坏风险,建议削弱区域起始位置距蒙皮板的距离a=(0.65~0.90)b_(bf),削弱区域长度b=(0.65~0.90)h_b,削弱深度c=0.20 b_(bf),其中b_(bf)和h_b分别为钢梁下翼缘宽度和钢梁截面高度。弹塑性动力时程分析结果表明,新型弱轴连接组合钢框架的刚度要高于传统工形柱楔形加劲板弱轴连接组合钢框架的刚度及箱形柱连接组合钢框架的刚度。相对单榀组合钢框架而言,不同节点形式对整体结构的楼层位移、层间位移及底部剪力的影响较小,且最大层间位移角均不超过规范的限值。基于“组件法”推导了正、负弯矩作用下新型弱轴连接组合节点的初始转动刚度,考虑混凝土楼板受压、钢筋受拉、柱翼缘受拉、柱翼缘受压及柱翼缘受剪,并对推导公式进行验证,其误差不超过20%。作出更贴合实际的组合梁截面的应力分布假设,假设在正、负弯矩作用下仅钢梁下翼缘截面达到钢材的抗拉或抗压强度设计值f,钢梁截面上的应力呈三角形分布,推导了正、负弯矩作用下组合梁的极限抗弯承载力,并与有限元计算结果进行对比验证,结果表明,提出的承载力计算公式可以偏保守地计算新型弱轴连接组合节点的极限抗弯承载力。最后,运用屈服线理论对蒙皮板厚度进行了公式推导,蒙皮板厚度可保守地按公式(6.56)取值。
【图文】：

(a) 梁端扩大形连接 (b) RBS 型连接 (c) 盖板式连接 (d) 加腋连接图 1.2 延性连接节点形式图 1.3 传统弱轴楔形加劲板连接针对传统的工形柱楔形加劲板连接存在塑性转动能力差和柱腹板易出现破坏等不足，GB 50011-2010[7]第 8.3.4 条指出：“柱在两个互相垂直的方向都与梁刚性连接时宜采用箱形截面，并在梁翼缘连接处设置隔板”。而由于箱形柱的成本较高，节点安装不像工形柱连接那么方便，，实际工程中工形柱弱轴楔形加劲板连接仍然普遍存在，所以工程

(a) 强轴连接 (b) 弱轴连接图 1.5 强弱轴连接梁翼缘应力沿宽度分布图Gilton 和 Uang[33]对 2 个 RBS 型弱轴连接的纯钢边节点试件进行了循环荷载试验研究，发现翼缘 RBS 削弱在弱轴连接上也能改善梁柱节点处的应力集中，增加节点的塑性转动能力。Kim 等[34]对 14 个弱轴连接试件进行了单调荷载试验研究，弱轴连接节点形式如图1.6 所示，包括 3 种新型弱轴连接形式（图 1.6a~c）及 1 种传统弱轴连接形式（图 1.5d）。结果表明，对 ST 型连接来说，连接的最大承载力主要由抗拉螺栓决定；对 WST 型连接来说，连接的延性及承载力随着抗剪螺栓的增加而增大；对 EP 型连接来说，连接的延性及承载力随着抗拉螺栓的增加而增大；相较而言，在螺栓数量相同的情况下，WST型连接具有最优越的滞回性能。
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU391;TU352.11


本文编号：2660010