钢框架结构新型耗能梁柱节点的抗震性能和设计方法

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北岭地震之后,人们发现传统钢框架梁柱连接发生了大量的脆性断裂。震后,国内外学者对改进钢结构节点展开了诸多的研究,目前,改进梁柱刚性连接受力性能的方法主要有梁端削弱式节点和梁端加强式节点两种,这两种节点虽然能够成功转移塑性铰并避免连接处焊缝的脆性破坏,但是震后的修复却是很难实现的。为此,本文设计了一种新型耗能节点,采用带悬臂梁段拼接的节点形式使塑性铰形成在削弱处,拼接处两段梁的翼缘和腹板分别由两块钢板焊接在一起,地震作用下,塑性变形仅发生在这四块钢板上,梁柱主体构件始终保持在弹性范围内,仅替换破坏的钢板结构即可正常使用。通过理论分析的方法和ABAQUS有限元数值模拟,对新型耗能节点的性能和构造形式进行了探讨,提出了新型节点的设计方法;利用数值模拟分析新型节点的性能及合理的构造;同时对影响其抗震性能的各个因素进行讨论。主要研究内容如下:(1)针对新型耗能节点仅耗能板发生塑性变形而梁柱主体构件始终保持在弹性范围内的要求,对耗能板的尺寸进行了理论分析,得出了耗能板尺寸限值公式。为避免新型耗能节点耗能装置发生整体失稳的破坏模式,对矩形外套所需的强度进行了推导,得出了矩形钢外套梁柱节点耗能装置强度设计的标准。针对C形外套节点的构造形式,得出了耗能板与C形外套预留缝隙的最小值。(2)采用有限元软件ABAQUS对新型节点构件进行了静力荷载作用下的有限元分析。分析了三种构造节点的荷载-位移曲线、应力分布等,发现其均能将塑性铰控制在耗能装置处且能够使梁柱主体构件始终保持在弹性范围内,有限元模拟发现带矩形外套的耗能节点能够承受更大的力;新型耗能节点的承载力随着垫板厚度的增大、耗能板自由长度的减小以及钢外套厚度的增大而增大;有外套耗能节点的承载力随着耗能板与钢外套间隙的减小而增大,但间隙过小时,矩形外套耗能节点的梁会部分进入塑性。(3)对新型耗能节点进行往复荷载作用下的数值模拟分析。发现矩形外套节点与C形外套节点耗能能力相比差别不大,但要稍好一些,无外套节点的耗能最差;随着耗能板宽厚比的减小、自由长度和间隙的减小以及耗能板截面面积的增大,新型耗能节点的耗能能力均有提高的趋势,刚度退化也有减缓的趋势;随着垫板厚度的增加,节点的总耗能变大,但垫板厚度的变化对刚度退化的影响可以忽略。
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