新型桁架式型钢砼梁-型钢砼柱节点与框架抗震性能及设计方法研究

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型钢混凝土相对于普通钢筋混凝土结构具有明显的优势:承载力高、刚度大、相对截面较小、延性好及耗能能力较强等,这些优势使得其在高层框架结构中得到较好的应用。型钢混凝土梁柱节点受力复杂,型钢与混凝土的粘结力小,容易产生粘结滑移破坏,在反复荷载作用下节点剪切裂缝的发展导致节点较早失效。针对这些问题,本文提出新型桁架式型钢砼梁—型钢砼柱框架节点的结构形式,并通过理论研究、模型试验研究及数值方法对新型型钢混凝土节点及框架进行抗震性能研究。开展的工作有:(1)提出新型桁架式型钢砼梁—型钢砼柱节点,以型钢尺寸、角钢尺寸、轴压比三个参数为设计参数,以研究节点的极限承载力为目标,根据框架结构节点的构造和受力特点设计与制作6个标准层中节点和6个顶层中节点共12个试件,进行低周反复荷载试验;研究在试验荷载作用下新型型钢混凝土节点的裂缝发展规律、破坏形态、受力特点、骨架曲线、承载能力、强度退化、延性性能等;考虑了型钢尺寸、腹杆尺寸和轴压比三个设计参数对抗震性能的影响,得出在一定的条件下,型钢尺寸和腹杆尺寸的增大可以提高结构的抗震性能,而轴压比增大使结构的延性和耗能性能略为降低,对节点承载力退化的影响不明显。(2)为了进一步研究在反复荷载作用下桁架式型钢砼梁—型钢砼柱框架结构的节点在整体结构中的耗能机理、破坏形态、延性性能及滞回性能,设计和制作了 2榀大比例框架模型,并进行拟静力荷载试验,研究框架整体的抗震性能。通过对新型桁架式型钢混凝土框架的拟静力试验过程中梁、柱节点的裂缝开裂与发展、破坏形态、荷载-位移曲线分析框架结构的骨架曲线、延性特征、耗能性能、承载力退化以及刚度退化等,得出桁架式型钢砼梁—型钢砼柱框架结构的耗能性能较好,含钢量可适当提高结构的位移延性系数,型钢含量大的框架承载力下降较慢。(3)基于新型桁架式型钢砼梁—型钢砼柱节点试件的试验结果,建立了新型型钢混凝土节点(标准层中节点和顶层中节点)的恢复力模型,包括基于计算的骨架曲线模型、刚度退化规律以及滞回规则;研究了桁架式型钢砼梁—型钢砼柱节点在低周反复荷载作用下的损伤性能,并结合新型型钢混凝土节点的破坏特征,建立了桁架式型钢砼梁—型钢砼柱节点的地震损伤模型,该模型认为节点损伤是从裂缝产生后积累的,型钢及钢筋屈服失去承载能力,揭示了节点在地震荷载作用下的损伤破坏过程。基于节点的地震损伤模型分析了型钢尺寸、腹杆尺寸和轴压比对框架中节点损伤性能的影响,对新型节点的地震荷载作用下的损伤破坏过程进行了分析。(4)通过有限元法建立了考虑型钢尺寸、腹杆尺寸、轴压比和混凝土强度等设计参数的桁架式型钢砼梁—型钢砼柱节点试件的三维非线性有限元模型,分析了试件在低周反复荷载作用下的新型型钢混凝土节点的型钢、钢筋和混凝土的应力、荷载-位移滞回曲线和骨架曲线等,并计算了节点的抗剪承载能力,理论研究结果与试验研究结果吻合较好,说明节点的耗能能力及抗震性能较高。研究得出节点柱型钢尺寸增大有助于提高新型型钢混凝土节点的承载力,腹杆尺寸增大及腹杆的合理布置可以提高节点的抗剪能力和耗能能力,轴压比增大可以略微增大节点的承载能力,混凝土强度的提高导致节点承载力增大,但轴压比和混凝土强度对延性的影响较小的结论。(5)与节点有限元分析模型一致,采用分离法建立三维空间有限元模型,分析了在拟静力荷载作用下,2榀框架均按预期设计实现框架的破坏模式,实现了刚度与承载能力在加载至破坏的退化形态。分析桁架式型钢砼梁—型钢砼柱框架的应力、破坏机理、框架荷载-位移滞回曲线、骨架曲线等,得出在一定条件下,增大型钢尺寸、腹杆尺寸能增大极限承载能力,合理布置腹杆尺寸可以提高抗剪承载力、延性及耗能能力的结论。(6)通过理论推导,对桁架式型钢砼梁—型钢砼柱节点进行抗剪承载力分析,由试验数据计算出各个节点核心区的抗剪极限承载力,推导出节点抗裂承载力计算公式;以钢“框架—剪力墙”作为抗剪机理依据,对节点核心区进行受力分析,并推导出节点抗剪承载力公式并对影响因素进行分析;对新型桁架式型钢砼梁—型钢砼柱节点提出了设计方法,对构件材料及构造提出了要求,对新型型钢混凝土节点的型钢翼缘提出了宽厚比限值要求。
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