仿古建筑方钢管柱与圆钢管柱连接抗震性能试验及ABAQUS有限元分析

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仿古建筑传承了中国古建筑造型优美、大气磅礴的特点,在实际工程中得到越来越广泛的应用。柱是仿古建筑的重要组成部分,其外形和传统古建筑柱的外形保持一致。仿古建筑方钢管柱与圆钢管柱连接的上、下柱采用了不同的截面形式,其连接构造、传力方式与现代建筑常规钢结构节点有很大不同,至今缺乏系统的试验研究和理论分析,目前尚无针对此类构件的设计规范可供借鉴。为了研究仿古建筑方钢管柱与圆钢管柱连接的破坏形态和抗震性能,设计并制作了4个缩尺比例为1/1.5的柱连接模型,通过施加恒定轴压比的竖向荷载和低周往复水平荷载,对柱连接模型进行加载破坏试验。观察了试件的受力过程及破坏形态,得到了柱端荷载-位移滞回曲线和骨架曲线,分析了试件类型、轴压比对试件的破坏模式、滞回性能、刚度、承载力、延性、耗能能力等的影响。结果表明:仿古建筑方钢管柱与圆钢管柱连接的破坏模式主要是方钢管柱翼缘根部周围焊缝的开裂;滞回曲线饱满,刚度退化小,承载能力高,破坏时试件的位移延性系数介于4.17~4.97,等效黏滞阻尼系数介于0.445~0.537,具有很好的耗能能力及抗震性能。在试验研究的基础上,利用ABAQUS软件对其受力性能进行了非线性有限元分析,并与试验结果进行了对比。两者吻合较好。在此基础上,研究了轴压比、钢材屈服强度、方钢管板件宽厚比等参数对柱连接的承载力、刚度和延性的影响规律。结果表明:在一定范围内,随轴压比的增大,试件的水平承载力和刚度降低,位移延性呈升高的趋势;随钢材屈服强度的增加,试件的水平承载力和刚度提高,位移延性呈降低的趋势;随方钢管板件宽厚比的增加,试件的水平承载力和刚度降低,位移延性呈升高的趋势。研究结果可为钢结构仿古建筑方钢管柱与圆钢管柱连接的抗震设计及工程运用提供参考。
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