【摘要】：工形柱鋼框架的梁柱連接的研究成果主要集中在強(qiáng)軸連接,且多為純鋼節(jié)點(diǎn),組合節(jié)點(diǎn)的研究相對(duì)較少;而對(duì)帶混凝土樓板的弱軸連接的研究更是少見報(bào)道。但是工形柱的強(qiáng)軸與弱軸連接、帶混凝土樓板的組合節(jié)點(diǎn)與純鋼節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能和破壞機(jī)理有明顯的不同;而且常見的工形柱弱軸楔形加勁板連接存在塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力差和柱腹板易于發(fā)生破壞等問題。本文開展了節(jié)點(diǎn)域箱形加強(qiáng)式工字形柱弱軸連接(以下簡(jiǎn)稱新型弱軸連接)組合節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究及理論分析,是對(duì)現(xiàn)有鋼框架節(jié)點(diǎn)研究的拓展和提升,可以為該領(lǐng)域的研究提供一個(gè)新的思路和方向,也可以為工程設(shè)計(jì)提供一個(gè)可靠的弱軸連接選擇。本文對(duì)新型弱軸連接組合節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析研究。試驗(yàn)研究包括:5個(gè)足尺純鋼中節(jié)點(diǎn)試件和5個(gè)足尺組合中節(jié)點(diǎn)試件的柱頂水平循環(huán)加載試驗(yàn),試件的梁端處理方式分別為標(biāo)準(zhǔn)型(未處理)、削弱型(RBS)、加強(qiáng)型(蓋板、擴(kuò)大翼緣、加腋);鋼材母材和焊縫熔敷金屬的單向拉伸試驗(yàn);混凝土立方體試塊的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。運(yùn)用有限元軟件ABAQUS 6.14-1進(jìn)行數(shù)值模擬分析,包括對(duì)試驗(yàn)試件的模擬驗(yàn)證和新型弱軸連接組合節(jié)點(diǎn)模型的參數(shù)分析。依據(jù)參數(shù)分析結(jié)果,提出了上窄下寬不對(duì)稱梁翼緣且僅梁下翼緣削弱的新型弱軸連接組合節(jié)點(diǎn)形式;并對(duì)弱軸連接組合鋼框架進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析,分別考慮了楔形加勁板弱軸連接、梁端標(biāo)準(zhǔn)型新型弱軸連接、采用梁下翼緣削弱的不對(duì)稱工形梁截面的新型弱軸連接及按軸壓比基本相同為原則設(shè)計(jì)的箱形柱連接共4種節(jié)點(diǎn)形式,分析其動(dòng)力響應(yīng)的差異。然后基于“組件法”推導(dǎo)了新型弱軸連接組合節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度,根據(jù)試驗(yàn)和有限元結(jié)果提出了更加貼合實(shí)際的組合梁截面的應(yīng)力分布假設(shè),并推導(dǎo)了組合梁的承載力計(jì)算方法,通過與有限元結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了推導(dǎo)方法的適用性。最后根據(jù)試驗(yàn)中蒙皮板出現(xiàn)拉裂的情況,運(yùn)用屈服線理論推導(dǎo)了新型弱軸連接中的關(guān)鍵組件“蒙皮板”的厚度取值公式,提出了相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)對(duì)策及建議。循環(huán)荷載試驗(yàn)研究結(jié)果表明:混凝土樓板會(huì)導(dǎo)致組合梁截面中和軸顯著上移,從而增大梁下翼緣應(yīng)力;在驗(yàn)算“強(qiáng)柱弱梁”時(shí)需要考慮組合效應(yīng)的影響;所有試驗(yàn)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造基本可以滿足框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下抗震設(shè)防要求的“大震不倒”;合理設(shè)計(jì)的新型弱軸連接組合節(jié)點(diǎn)可以滿足在層間位移角為0.04 rad時(shí),抗彎承載力大于0.8M_p的要求;保證焊接質(zhì)量是避免節(jié)點(diǎn)脆性破壞的首要保證,同時(shí)建議蒙皮板材料選用抗層間撕裂的Z向鋼板。對(duì)新型弱軸連接組合節(jié)點(diǎn)進(jìn)行系列參數(shù)分析時(shí)考慮的參數(shù)包括焊縫通過孔細(xì)部尺寸、樓板配筋率、樓板厚度、不對(duì)稱鋼梁截面及RBS(Reduced Beam Section)削弱參數(shù)等。結(jié)果表明:梁上、下翼緣焊縫處于三向受拉狀態(tài);設(shè)計(jì)蒙皮板時(shí),應(yīng)重點(diǎn)對(duì)梁下翼緣焊縫對(duì)應(yīng)部位蒙皮板的強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn);對(duì)于新型弱軸連接組合節(jié)點(diǎn)而言,按規(guī)范進(jìn)行承載能力計(jì)算偏于不安全;采用上窄下寬的不對(duì)稱鋼梁截面,可以減小梁下翼緣對(duì)接焊縫應(yīng)力集中的程度和脆斷的風(fēng)險(xiǎn);對(duì)不對(duì)稱鋼梁截面進(jìn)行下翼緣削弱處理時(shí),為了使得塑性鉸有效外移并減小梁翼緣焊縫處的破壞風(fēng)險(xiǎn),建議削弱區(qū)域起始位置距蒙皮板的距離a=(0.65~0.90)b_(bf),削弱區(qū)域長(zhǎng)度b=(0.65~0.90)h_b,削弱深度c=0.20 b_(bf),其中b_(bf)和h_b分別為鋼梁下翼緣寬度和鋼梁截面高度。彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果表明,新型弱軸連接組合鋼框架的剛度要高于傳統(tǒng)工形柱楔形加勁板弱軸連接組合鋼框架的剛度及箱形柱連接組合鋼框架的剛度。相對(duì)單榀組合鋼框架而言,不同節(jié)點(diǎn)形式對(duì)整體結(jié)構(gòu)的樓層位移、層間位移及底部剪力的影響較小,且最大層間位移角均不超過規(guī)范的限值。基于“組件法”推導(dǎo)了正、負(fù)彎矩作用下新型弱軸連接組合節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度,考慮混凝土樓板受壓、鋼筋受拉、柱翼緣受拉、柱翼緣受壓及柱翼緣受剪,并對(duì)推導(dǎo)公式進(jìn)行驗(yàn)證,其誤差不超過20%。作出更貼合實(shí)際的組合梁截面的應(yīng)力分布假設(shè),假設(shè)在正、負(fù)彎矩作用下僅鋼梁下翼緣截面達(dá)到鋼材的抗拉或抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f,鋼梁截面上的應(yīng)力呈三角形分布,推導(dǎo)了正、負(fù)彎矩作用下組合梁的極限抗彎承載力,并與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,結(jié)果表明,提出的承載力計(jì)算公式可以偏保守地計(jì)算新型弱軸連接組合節(jié)點(diǎn)的極限抗彎承載力。最后,運(yùn)用屈服線理論對(duì)蒙皮板厚度進(jìn)行了公式推導(dǎo),蒙皮板厚度可保守地按公式(6.56)取值。
【圖文】：

(a) 梁端擴(kuò)大形連接 (b) RBS 型連接 (c) 蓋板式連接 (d) 加腋連接圖 1.2 延性連接節(jié)點(diǎn)形式圖 1.3 傳統(tǒng)弱軸楔形加勁板連接針對(duì)傳統(tǒng)的工形柱楔形加勁板連接存在塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力差和柱腹板易出現(xiàn)破壞等不足，GB 50011-2010[7]第 8.3.4 條指出：“柱在兩個(gè)互相垂直的方向都與梁剛性連接時(shí)宜采用箱形截面，并在梁翼緣連接處設(shè)置隔板”。而由于箱形柱的成本較高，節(jié)點(diǎn)安裝不像工形柱連接那么方便，，實(shí)際工程中工形柱弱軸楔形加勁板連接仍然普遍存在，所以工程

(a) 強(qiáng)軸連接 (b) 弱軸連接圖 1.5 強(qiáng)弱軸連接梁翼緣應(yīng)力沿寬度分布圖Gilton 和 Uang[33]對(duì) 2 個(gè) RBS 型弱軸連接的純鋼邊節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行了循環(huán)荷載試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)翼緣 RBS 削弱在弱軸連接上也能改善梁柱節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中，增加節(jié)點(diǎn)的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力。Kim 等[34]對(duì) 14 個(gè)弱軸連接試件進(jìn)行了單調(diào)荷載試驗(yàn)研究，弱軸連接節(jié)點(diǎn)形式如圖1.6 所示，包括 3 種新型弱軸連接形式（圖 1.6a~c）及 1 種傳統(tǒng)弱軸連接形式（圖 1.5d）。結(jié)果表明，對(duì) ST 型連接來說，連接的最大承載力主要由抗拉螺栓決定；對(duì) WST 型連接來說，連接的延性及承載力隨著抗剪螺栓的增加而增大；對(duì) EP 型連接來說，連接的延性及承載力隨著抗拉螺栓的增加而增大；相較而言，在螺栓數(shù)量相同的情況下，WST型連接具有最優(yōu)越的滯回性能。
【學(xué)位授予單位】：長(zhǎng)安大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU391;TU352.11


本文編號(hào)：2660010