基于滑移连接的防屈曲支撑钢框架节点抗震性能与设计方法

发布时间：2020-06-12 02:17

【摘要】：防屈曲支撑(BRB)等支撑型阻尼器作为目前最常用的结构减震控制手段之一,在国内外既有结构抗震加固和新建结构减震设计中得到了广泛应用。BRB钢框架节点常采用焊缝连接(称为焊接节点),然而大量试验研究表明,在大震和超大震作用下,该节点将处于支撑力和开合效应(梁-柱节点的开合变形)双重复杂受力状态,导致该节点及其相邻子框架提前发生破坏而无法发挥BRB在大震下的保险丝作用。为解决此类问题,本文基于以柔克刚的思路,提出一种滑移连接构造,通过高强度螺栓连接梁柱翼缘,并在BRB节点板与梁柱翼缘之间的接触面设置低摩擦材料释放切向约束;滑移连接构造完全依靠BRB节点板与梁柱翼缘的法向承压及高强度螺栓抗拉传递支撑力,最大程度减轻大变形下的塑性损伤,对充分发挥支撑型阻尼器在大变形下的消能减震作用及其整体结构的抗震性能具有重要的意义。本文主要研究内容及结论如下:(1)在第二章中,提出了一种基于滑移连接的BRB钢框架新型节点构造,并通过3个防屈曲支撑钢框架子结构试验研究传统焊接节点与新型滑移节点的抗震性能差异,其中2个试件采用滑移节点和另1个试件采用焊接节点。试验结果表明,滑移节点可显著减轻BRB钢框架节点的开合效应,提升整体结构的变形能力,且滑移变形对BRB轴向行为及其累计塑性耗能无明显不利影响。(2)在第三章中,针对第二章试验发现的问题以及试验未考虑的参数,采用ABAQUS有限元软件建模分析高强度螺栓的受力状态以及滑移节点的构造参数影响。结合理论分析与有限元结果,确定了滑移节点中高强度螺栓的受力状态;并通过18个有限元模型揭示梁-柱节点构造、梁-柱节点域强度以及楼板效应等参数对采用滑移连接的BRB钢框架节点抗震性能的影响,基于有限元结果确定最优的节点构造参数。(3)由于滑移节点可释放连接界面的切向约束并通过界面法向拉压传递支撑力,第三章有限元结果也表明高强度螺栓可作为抗拉螺栓验算。在第四章中通过理论分析与有限元分析相结合的方法研究滑移连接界面合拉力作用点位置的分布规律并建立其预测方法。采用此预测方法验算滑移节点高强度螺栓的受力状态并设计了27个有限元模型。有限元结果表明,采用上述方法可保证滑移节点在支撑力和开合效应组合作用下的抗震性能。基于以上结果,作者提出了一种滑移节点的实用设计方法。(4)在第五章中采用作者提出的滑移节点实用设计方法设计了一榀含滑移节点两层单跨BRB钢框架,并提出在梁柱塑性铰位置1倍梁柱截面高度范围内密布横向加劲肋的子框架构造,以充分提升子框架的延性能力。试验结果表明,作者提出的滑移节点实用设计方法可保证滑移节点在小、中、大和超大震作用下的抗震性能,节点板及高强度螺栓满足设计工作状态。所提出的子框架构造要求可避免梁柱翼缘在超大震下发生局部失稳问题,有效提升BRB与整体结构的协调变形能力。
【图文】：

钢框架,相互作用,节点板,支撑力

华南理工大学硕士学位论文弯曲变形所产生的切向效应，令该节点处于支撑力和开合效应的双重复杂受子框架内产生剪力和弯矩放大效应，导致该节点或子框架先于 BRB 失效。明，当层间位移角超过 2%后，节点开合效应逐渐变得显著，导致节点板梁部首先发生开裂[17]（图 1-2（a）），并沿着开裂点出现整条连接边的剪切断裂[ 1-2（b）），严重者甚至在节点板的两条连接边都同时出现了全截面断裂[19]（，最终导致 BRB 被迫提前退出工作。Wigle 等人[20]的有限元分析表明，节塑性应变集中在节点板端部，说明该部位是潜在的开裂源，进一步解释了上。以上研究充分表明，由于 BRB 在大震下依然保持正常工作，因此采用普中基于支撑力的节点设计方法无法保证 BRB 钢框架节点在大震下的抗震性互作用角度建立基于支撑力和开合效应的 BRB 钢框架节点设计方法。

模式图,焊接节点,模式,节点板

（a）节点板端部开裂（b）节点板与梁连接边剪切断裂（c）节点板两连接边完全断裂图 1-2 焊接节点板的连接破坏模式[16-19, 29]除了节点板的连接破坏，上述试验研究还表明[16, 19, 29-31]，节点开合效应还会使梁端塑性铰从梁柱交界面外移到节点板端部的梁截面（图 1-3（a）），造成塑性铰区的梁翼缘出现大幅值的局部屈曲（图 1-3（b）），而附加的开合效应作用力还会造成梁翼缘（图 13（c））或者梁翼缘与腹板交界面（图 1-3（b））出现断裂，最终导致子框架承载力在支撑失效之前首先出现下降，未能实现 BRB 应有的结构保险丝功能。作者所在课题组在
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU352.11;TU391

【参考文献】