外露式四锚栓钢柱脚节点弱轴方向抗震性能及弯矩转角关系研究

发布时间：2020-08-15 08:16

【摘要】：在钢框架结构中,柱脚节点的半刚性严重影响着上部结构的受力特性。迄今为止对外露式四锚栓钢柱脚节点弱轴方向的抗震性能和弯矩转角关系研究相对较少,其中现有的公式和计算方法无法用于计算柱脚节点弱轴方向的抗弯承载力和初始转动刚度。针对上述问题,本文基于试验、有限元模拟和有限元概率设计的方法对外露式四锚栓钢柱脚节点弱轴方向抗震性能和弯矩转角关系进行分析,主要进行了以下工作:对3组四锚栓外露式四锚栓钢柱脚节点进行弱轴方向低周往复加载的拟静力试验,分析该柱脚节点的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、抗弯承载力、初始转动刚度、延性性能和耗能能力。锚栓直径较小时,锚栓被拉断破坏;锚栓直径较大时,钢柱翼缘与底板连接处焊缝撕裂破坏。3个试件的滞回曲线都表现出较明显的“捏缩”效应,抗震性能较差,但延性性能良好。基于校核的ABAQUS有限元模型,对柱脚节点进行变参数分析,主要对以下参数进行了分析:柱顶轴压、锚栓距柱腹板边缘的距离、锚栓距底板边缘的距离、锚栓距翼缘边缘的距离(同侧锚栓之间的距离)、底板厚度、锚栓直径。增大柱顶轴压能显著提升外露式四锚栓钢柱脚节点弱轴方向的抗弯承载力和初始转动刚度;增大锚栓距柱腹板边缘的距离对节点抗弯承载力几乎无影响,但能提升节点初始转动刚度;改变锚栓距底板边缘的距离对节点抗弯承载力和初始转动刚度几乎无影响;增大锚栓距翼缘边缘的距离(减小同侧锚栓之间的距离)对节点承载力影响较小,但会降低节点初始转动刚度;增大底板厚度能较大地提升节点的抗弯承载力和初始转动刚度;增大锚栓直径能较大地提升节点的抗弯承载力,但会降低节点延性,使初始转动刚度反而略为减小。分析重力二阶效应和砂浆层厚度对柱脚节点力学性能的影响。P-(35)效应可通过处理数据时考虑附加弯矩消除影响;砂浆层厚度较薄时对节点力学性能几乎无影响,但厚度较大时会降低节点抗弯承载力、初始转动刚度和延性性能。基于有限元概率设计的方法,提出柱脚节点抗弯承载力、初始转动刚度的计算公式和弯矩转角曲线模型。基于MATLAB和ANSYS的循环仿真分析,结合响应面法得到柱脚节点初始转动刚度和抗弯承载力公式的半解析解,结合节点的三参数模型,得到柱脚节点的弯矩转角模型。
【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
【图文】：

特性曲线,柱脚

a) 外露式铰接柱脚 b) 外露式刚接柱脚图 1-1 外露式柱脚由于实际工程设计及计算中，不考虑外露式柱脚节点的半刚性，因此必然会造成与实际受力情况不符从而造成材料浪费甚至结构偏于不安全的问题。我国的旧版《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中对梁柱半刚性连接作了原则性规定（第 3.2.7 条，梁与柱的半刚性连接只具有有限的初始转动刚度，在承受弯矩的同时会产生相应的交角变化在内力分析时，必须预先确定连接的弯矩-转角特性曲线，以便考虑连接变形的影响[7]）。但新版《钢结构设计规范》（GB50017-2017）中将这条剔除，新增了一条规定（第 12.3.3条，梁柱采用刚性或半刚性节点时，节点应进行在弯矩和剪力作用下的强度验算[8]）。新规范中针对半刚性节点的设计作了一些明确的规定，但是仍然缺少计算模型和方法，国内其他规范也没有柱脚节点半刚性计算模型及数值，造成工程中无法对柱脚节点的半刚性进行设计和计算。综上所述，非常有必要对外露式柱脚节点的半刚性进行研究。1.2 国内外研究现状

材性试验

a) 钢板材性试样 b) 锚栓材性试样c) 钢材拉伸试验 d)混凝土立方抗压试验图2-3 材性试验按照《混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）[51]的规定，制作了 6个棱长为 150mm 的标准立方体试块，在与试件同等条件下养护 28d，进行立方体抗压强度试验，见图 2-3d)，混凝土材性试验结果见表 2-4。

试验装置图,试验装置,制度,加载

12a) 试验装置示意图 b）试验装置现场图图2-4 试验装置2.1.5 加载制度本试验首先用柱顶千斤顶施加轴压，然后用 MTS 作动器进行低周循环加载，加载方式为位移加载，加载方向为弱轴方向。本试验加载制度参照美国规范 ANSI/AISC 341-10[53]，以安装于加载点处的拉线位移计控制，加载制度如图 2-5 所示，每一级荷载大小和循环次数见表 2-5。表2-5 加载制度荷载级别位移幅值/mm 循环次数层间位移角 θ/rad1 3

【参考文献】