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土木工程视角下方钢管混凝土柱-H型钢梁装配节点抗震性能研究

日期:2020年08月17日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:321
论文价格:150元 论文编号:lw202008062327158621 论文字数:36955 所属栏目:土木工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇土木工程论文,本文通过采用试验、数值模拟和理论推导相结合的方式,研究了该装配节点的抗震性能。得到的主要结论如下:(1)对方钢管混凝土柱-H 型钢梁装配节点进行了低周反复试验。通过对滞回曲线、刚度退化曲线等试验数据的分析,发现该节点具有良好的耗能能力和抗震性能,并且呈现出较好的延性和塑性变形能力;而且该节点的最终破坏形态是由端板与 H 型钢翼缘部分的焊缝开裂引起的,造成了该节点的承载力下降。说明了该装配节点在实际工程中的应用是具有可行性的。(2)在试验加载结束后,对试件进行了拆除,发现方钢管混凝土柱壁在柱螺栓位置的外凸变形较螺栓-端板节点因柱壁外凸变形过大造成的局部屈服破坏的现象得到了明显的改善。同时,从试件的安装过程可知,该节点施工方便、易于操作,表现出了良好的装配性能。


第 1 章 绪论


1.1 研究背景与意义

钢管混凝土是在钢管内浇筑混凝土材料形成的构件,能够充分发挥出混凝土和钢材的特性,具有承载力高、塑性和延性好、便于施工以及经济效果好等特点,在高层及超高层结构中得到了比较广泛的应用[1-4]。目前,关于钢管混凝土梁柱节点的构造形式,在《矩形钢管混凝土节点技术规程》[5](T/CECS506-2018)中推荐了内隔板式、外环板式、隔板贯通式、外肋环板式、铸钢式及半刚性节点。由于在钢管混凝土柱中方钢管混凝土柱的截面形状比较规则,与其他构件的连接形式也较为简单;在钢梁中 H 型钢梁施工比较方便,节点连接形式多样;因此,在钢管混混凝土梁柱节点中多采用方钢管混凝土柱和 H 型钢梁进行连接[1-4]。

装配式结构具有施工速度快、生产效率高、节省材料及改善劳动力生产环境等特点,符合我国关于建筑工业化、住房产业化的发展方向。目前,装配式连接方式在钢结构、钢-混结构、钢筋混凝土结构以及木结构等结构形式中得到了广泛的应用,但是在钢管混凝土结构中对于能够实现装配式连接的钢管混凝土梁柱节点的研究相对较少[6]。现在关于钢管混凝土梁柱节点的研究还主要集中在现浇式连接节点,然而现场进行混凝土的浇注,施工的质量难以保证,整体的施工周期长,对装配式钢管混凝土结构在实际工程中的应用和发展产生了阻碍。结合《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》[7]和《关于加快推动我国绿色建筑发展的实施意见》[8]可知,绿色建筑和装配式建筑将成为建筑领域重要的发展方向,而钢管混凝土结构具有绿色建筑与经济建筑的两大特点,将会在建筑领域得到前所未有的发展。
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1.2 国内外研究现状

1.2.1 钢管混凝土梁柱节点研究现状

关于钢管混凝土柱和钢梁的研究在 20 世纪 70 年代就开始进行了,国内外专家学者对钢管混凝土柱-钢梁节点进行了大量的试验。研究了采用不同构造形式的钢管混凝土梁柱节点的破坏状态、承载力和耗能能力等,为钢管混凝土结构在建筑领域的发展提供了大量的理论依据,有利于促进钢管混凝土梁柱新型节点形式的研究与应用。

(1)内隔板式节点是在钢管混凝土柱的内部设置隔板,柱内设置的隔板与外部连接钢梁的上下翼缘位置一致,其中钢梁的翼缘与钢管混凝土柱的柱壁采用焊接的方式进行连接;钢管混凝土柱的柱壁与钢梁的腹板之间设置拼接板,并用高强螺栓进行连接,如图 1-1 所示。

图 1-1 内隔板式节点

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第 2 章 方钢管混凝土柱-H 型钢梁装配节点构造及试验研究


2.1 引言

现有的钢管混凝土梁柱节点中大多数都是现浇节点,为了响应国家对装配建筑的号召,并且充分发挥出钢管混凝土结构的特点。本章提出了一种方钢管混凝土柱-H 型钢梁装配节点,为了能够更好地的验证这种新型节点形式的合理性,制作了足尺的方钢管混凝土柱-H 型钢梁十字节点。并根据建筑抗震试验方法规程[63]对试件进行拟静力试验,研究该装配节点的抗震性能。

本章提出了一种方钢管混凝土柱-H 型钢梁装配节点,并对该装配节点进行了拟静力试验。通过对加载过程中的试验现象、试件的破坏形态以及试验数据进行分析,得到了以下结论:

(1)在现有钢管混凝土梁柱节点和预制柱装配节点的基础上,提出了一种方钢管混凝土柱-H 型钢梁装配节点。该节点各部件能够在工厂预制,在施工现场拼装,避免了现场进行钢材的焊接和混凝土的浇筑,改善了施工环境,保证了施工质量;同时,该节点施工方便、易于操作,具有较好的装配性能。

(2)该试件的滞回曲线有一定的捏缩现象,基本呈“弓”形,说明了该节点具有良好的耗能能力;骨架曲线呈“S”形,最大的承载力在 160kN 左右,左右梁的延性系数均大于 5,且整个加载过程中试件没有明显的强度退化现象,表明了该节点具有较好的延性和塑性变形能力;同时也说明了该节点应用于实际工程是具有可行性的。

(3)试验加载结束后,对试件进行了拆解,发现方钢管混凝土柱壁及柱内置连接件在柱螺栓位置有些许外凸现象,但相较于螺栓-端板节点因柱壁外凸变形过大造成的局部屈服破坏的现象,该节点柱壁外凸现象得到了明显的改善。
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2.2 方钢管混凝柱-H 型钢梁装配节点构造

本文基于现有钢管混凝土梁柱节点和预制柱装配节点,提出了一种方钢管混凝土柱-H 型钢梁装配节点,该节点由预制方钢管混凝上下柱、H 型钢梁及 H 型钢连接件(H型钢连接件由端板和 H 型钢两部分)组成,其中方钢管混凝土上柱设置柱内置连接件(柱内置连接件由钢筒、套管、内螺纹钢管三部分组成,钢筒底部设置钢板,内螺纹钢管端部设置限位板),柱内置连接件整体高度的 1/2 插入上柱方钢管底部,与预制方钢管混凝土上柱形成一种凸形构件,使方钢管混凝土上、下柱在安装时能够精准对接,柱内置连接件及上柱方钢管组装示意图,如图 2-1 所示。在对方钢管混凝土下柱浇筑混凝土时,在柱顶部留有与方钢管混凝土上柱外凸部分相适配的凹槽,使方钢管混凝土上、下柱在连接时能够有效贴合[6]。
方钢管混凝土上下柱、H 型钢梁及 H 型钢连接件的制作在工厂内完成后,将预制构件运至现场;先将方钢管混凝土下柱安装定位,再将方钢管混凝土上柱插入下柱,接着将 H 型钢连接件吊装到位,并与预制方钢管混凝土柱贴合,用螺栓拧紧固定,使方钢管混凝土上、下柱连接成整体;最后将 H 型钢梁吊装到位,并用高强螺栓实现梁柱的连接[6],节点拼装示意图,如图 2-2 所示。

图 2-1 方钢管上柱组装示意图

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第 3 章 方钢管混凝土柱-H 型钢梁装配节点抗震性能数值分析............. 26

3.1 引言................................26

3.2 建立有限元模型...........................26

第 4 章 方钢管混凝土柱-H 型钢梁装配节点受力机理研究......................47

4.1 引言...........................47

4.2 节点域传力机理.............................47


第 4 章 方钢管混凝土柱-H 型钢梁装配节点受力机理研究


4.1 引言

在结构的设计及使用期间,梁和柱子作为结构重要的受力构件,将结构受到的荷载通过柱子向下进行传递,梁柱节点连接的可靠性关系到整个结构的稳定、安全以及整个结构能否继续正常工作。因此,对该梁柱节点进行受力机理的研究是十分必要的。本章将结合第 2、3 章关于方钢混凝土柱-H 型钢梁装配节点的抗震性能的研究,对该节点传力机理进行分析,并建立适用于该节点的抗弯承载力计算公式。

在低周反复荷载作用下,该节点要承受钢管混凝土柱顶施加的轴力和 H 型钢梁上施加的循环往复荷载。因此,节点域内承受钢管混凝土柱端传递的轴力 Nc 、弯矩 Mc 及剪力Vc ;承受 H 型钢梁传递的轴力 Nb 、弯矩Mb 及剪力Vb ,一般梁端传递的轴力 Nb 较小,可以忽略。节点域内力图如图 4-1 所示。
图 4-1 节点域内力图

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结论和展望


结论

方钢管混凝土柱-H 型钢梁装配节点是基于现有钢管混凝土梁柱节点和预制柱装配节点提出的一种新型节点形式,该装配节点能够在进行钢管混凝土柱竖向装配的同时,实现钢管混凝土柱与 H 型钢梁的节点连接,有利于促进钢管混凝土结构在装配式建筑中的应用与发展。本文通过采用试验、数值模拟和理论推导相结合的方式,研究了该装配节点的抗震性能。得到的主要结论如下:

(1)对方钢管混凝土柱-H 型钢梁装配节点进行了低周反复试验。通过对滞回曲线、刚度退化曲线等试验数据的分析,发现该节点具有良好的耗能能力和抗震性能,并且呈现出较好的延性和塑性变形能力;而且该节点的最终破坏形态是由端板与 H 型钢翼缘部分的焊缝开裂引起的,造成了该节点的承载力下降。说明了该装配节点在实际工程中的应用是具有可行性的。

(2)在试验加载结束后,对试件进行了拆除,发现方钢管混凝土柱壁在柱螺栓位置的外凸变形较螺栓-端板节点因柱壁外凸变形过大造成的局部屈服破坏的现象得到了明显的改善。同时,从试件的安装过程可知,该节点施工方便、易于操作,表现出了良好的装配性能。

(3)在对有限元模型进行合理可靠性的验证后,对方钢管混凝土柱-H 型钢梁装配节点进行了端板厚度、柱螺栓直径以及轴压比的参数化分析。由模拟结果可知,端板厚度和柱螺栓的强度对该类节点的承载力和耗能性能起到非常重要的作用,而方钢管混凝土柱自身刚度较大,轴压比的变化(0.3~0.5)对于节点整体的承载力、耗能性能影响较小。说明了在一定范围内增加端板厚度以及柱螺栓直径,能够使模型得到的滞回曲线更加饱满,能够在一定程度上提高模型的承载力和耗能性能。

参考文献(略)

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