方钢管混凝土柱—钢梁T形件节点的性能研究

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梁柱节点起着传递梁柱之间弯矩和剪力的作用,其性能优劣直接影响到结构的整体反应,是钢结构设计中的关键。目前对方钢管混凝土柱和钢管混凝土节点的研究国内外进行得较多,但对方钢管混凝土柱节点的研究还比较少,对节点的理论分析模型和计算方法都有待进一步研究。T形件连接是梁柱节点的一种新型连接,本文利用高强穿心螺栓将T形件与方钢管混凝土柱连接在一起,对该节点的性能进行了较为系统的试验研究、有限元模拟和理论分析。主要的研究工作如下:(1)在广泛查阅国内外文献的基础上,对钢管混凝土柱、钢梁、T形件连接和梁柱节点的研究现状进行了较为全面的回顾和总结。并针对半刚性连接的特性进行了较为系统的分类以及对节点的弯矩-转角曲线的分析模型进行了探讨。(2)进行了6个十字形方钢管混凝土柱-钢梁连接节点的拟静力试验研究。以柱轴压比、T形件连接件尺寸、穿心螺杆大小和方钢管壁厚等为变化参数,采用梁端反对称加载形式,研究该组合节点的破坏特征、滞回性能、抗剪性能、承载力退化、刚度退化规律、耗能特性以及应变变化等力学性能。试验结果表明:试件具有较高的承载力、较大的初始转动刚度、良好的延性和耗能能力,说明其具有良好的抗震性能。(3)以节点试验为模型,分析时考虑节点组件的几何非线性、材料非线性和接触非线性问题,利用有限元软件ABAQUS对节点进行实体建模和网格划分,合理地模拟试验的边界条件和加载方式以及选择求解器,对节点受力进行全过程有限元分析。将有限元分析结果与试验相比,二者吻合较好。同时获得了许多试验中无法得到的节点细部受力特性,如节点域柱内混凝土受力状况、T形件翼缘接触应力分布规律。(4)基于对十字形节点的传力机理分析,得出其可能出现的失效模式。在此基础上,对比节点各个组件所确定的最大抗弯承载力和组合梁自身的最大抗弯承载力,推导了节点抗弯承载力计算公式;在分别建立节点域方钢管腹板的三折线抗剪计算模型、节点域内外钢管翼缘的抗弯计算模型和节点域夹层混凝土的斜压杆计算模型的基础上,运用叠加原理建立了节点抗剪承载力计算公式;采用组件法建立了节点的初始转动刚度计算模型,由此建立了节点的弯矩-转角三段线骨架曲线模型。上述研究成果表明:本文提出的T形件螺栓连接组合节点具有良好的受力性能,能够满足地震区的组合框架结构或框筒结构的设计要求。
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