反向槽钢节点钢框架—组合楼板结构鲁棒性能研究

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建筑结构遭受偶然荷载而发生初始破坏,失效构件承受的荷载向周边构件传递,内力重分布的过程中造成更多构件的破坏,最终引起结构整体倒塌或者与初始破坏不成比例的破坏,这就是结构连续性倒塌。21世纪初的“911”事件把结构抗连续性倒塌的研究推向高潮,包括梁柱节点研究、二维平面框架研究和三维整体结构的研究,随着钢结构的广泛应用,针对钢框架-组合楼板结构的研究越来越多。梁柱节点是联系水平承重构件与竖向承重构件的关键构件,而且其转动能力和变形后的轴向抗拉能力决定梁的悬链线效应的产生和发展,目前对传统焊接节点和栓接节点的研究较为成熟,还没有针对具有良好变形能力的反向槽钢节点鲁棒性能的研究。三维整体结构能反映实际结构的三维整体效应,能调动抗弯机制、悬链线效应、受压拱效应和受拉膜效应发挥作用,但目前对三维整体结构抗倒塌性能的研究还不够成熟,而且多为中柱失效工况下的研究,对边柱失效工况的研究很少,边柱失效工况的受力机理尚不明确。本文采用拆柱法对反向槽钢节点钢框架-组合楼板结构边柱失效工况下的鲁棒性能进行拟静力试验研究,采用组件法对反向槽钢节点进行试验研究,以解决一些有待研究的问题。主要研究过程和结论有以下几点:(1)试验中设计了一套模拟楼板等效均布荷载的6点加载系统和一套模拟剩余结构对试验子结构约束作用的约束系统。结构破坏时,混凝土楼板上形成绕内边梁的半圆环受拉裂缝区和失效柱附近的三角形受压裂缝区,楼板中间区域的纵向钢筋断裂和压型钢板断裂是结构破坏的标志。(2)楼板的受拉膜效应贡献部分通过梁板组合效应传递给钢梁,通过组合梁的抗弯机制和悬链线效应表现出来,难以单独量化。小变形阶段,结构主要通过组合梁的抗弯机制抵抗竖向荷载,失效柱位移大约达到组合主梁有效截面高度时,组合主梁悬链线效应开始产生并迅速发展,组合次梁没有悬链线效应产生。大变形阶段,随着主梁节点的破坏和楼板的破坏,组合梁抗弯作用降低,结构即将破坏时抗弯作用占竖向承载力62%,悬链线作用占竖向承载力的13%,剩余楼板的作用占竖向承载力的25%。(3)边柱失效以后,竖向荷载先通过与失效柱相连的主次梁传递给相邻柱,随着竖向位移增大,负弯矩区钢筋断裂和主梁节点破坏导致原有传力路径的荷载向外转移,通过楼板受拉膜效应传递到离失效柱较远的角柱。(4)反向槽钢节点中间排组件有效宽度取为螺栓间距,剩余部分为两个端部排组件,该方法具有可靠性。反向槽钢节点变形性能良好,能避免主梁节点过早破坏,协调三维整体结构各传力路径共同发挥作用。(5)本文结构基于力的动力放大系数DIFp随着失效柱位移的增大而减小,失效柱位移达到150mm以后,DIFp维持在1.25左右,满足DoD 2013[38]的要求;基于位移的动力放大系数DIFu随着楼板等效均布荷载的增加而增加,楼板等效均布荷载小于25kN/m2时,DIFu约为2.5。
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