中空夾層鋼管混凝土柱與鋼-混凝土梁組合節(jié)點(diǎn)的性能研究.pdf

1、 中空夾層鋼管混凝土是在內(nèi)外兩層同心鋼管之間澆筑混凝土形成的組合構(gòu)件，其內(nèi)外層鋼管取代了鋼筋并對(duì)夾層混凝土產(chǎn)生約束作用，與傳統(tǒng)的鋼管混凝土構(gòu)件相比，中空夾層鋼管混凝土構(gòu)件整體具有自重輕、抗彎剛度大、抗震性能好和耐火性能好的特性。目前對(duì)中空夾層鋼管混凝土組合柱和鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的研究國(guó)內(nèi)外進(jìn)行得較多，但對(duì)中空夾層鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的研究還比較少，對(duì)節(jié)點(diǎn)的理論分析模型和計(jì)算方法都有待進(jìn)一步研究。鑒于此，本文借鑒鋼結(jié)構(gòu)中常用的T型鋼螺栓連接，將其

2、引入組合節(jié)點(diǎn)中，采用貫穿柱身的雙頭等長(zhǎng)高強(qiáng)度螺栓將中空夾層鋼管混凝土柱與鋼-混凝土組合梁連接在一起，從而形成一種新型的組合節(jié)點(diǎn)形式。在總結(jié)傳統(tǒng)鋼-混凝土組合節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文對(duì)該新型組合節(jié)點(diǎn)的性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究、有限元模擬和理論分析并提出其相關(guān)的設(shè)計(jì)方法。主要的研究工作如下：
(1)在廣泛查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)中空夾層鋼管混凝土柱、鋼-混凝土組合梁、T 型鋼連接和鋼-混凝土組合梁節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了較為全面的回

3、顧和總結(jié)。并針對(duì)半剛性連接的特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分類(lèi)以及對(duì)節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)的分析模型進(jìn)行了探討。
(2)進(jìn)行了6個(gè)十字形中空夾層鋼管混凝土柱與鋼-混凝土梁組合節(jié)點(diǎn)的擬靜力試驗(yàn)研究。以柱軸壓比、T 型鋼連接件尺寸、加勁肋、樓板厚度和樓板配筋率等為變化參數(shù)，采用梁端反對(duì)稱(chēng)加載形式，研究該組合節(jié)點(diǎn)的破壞特征、滯回性能、抗剪性能、承載力退化、剛度退化規(guī)律、耗能特性以及應(yīng)變變化等力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：盡管節(jié)點(diǎn)試件最終發(fā)生剪切破壞

4、，但試件仍然具高的承載力、較大的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度、良好的延性和耗能能力，說(shuō)明其具有良好的抗震性能。
(3)以節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)為模型，分析時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)組件的幾何非線(xiàn)性、材料非線(xiàn)性和接觸非線(xiàn)性問(wèn)題，利用有限元軟件 ABAQUS 對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分，合理地模擬試驗(yàn)的邊界條件和加載方式以及選擇求解器，對(duì)節(jié)點(diǎn)受力進(jìn)行全過(guò)程有限元分析。研究了組合節(jié)點(diǎn)中柱的軸壓比變化、高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力和鋼筋混凝土樓板的組合效應(yīng)等因素對(duì)節(jié)點(diǎn)受力性能的影響，將有限

5、元分析結(jié)果與試驗(yàn)相比，二者吻合較好。同時(shí)獲得了許多試驗(yàn)中無(wú)法得到的節(jié)點(diǎn)細(xì)部受力特性，如節(jié)點(diǎn)域柱夾層混凝土受力狀況、T 型鋼翼緣接觸應(yīng)力分布規(guī)律、鋼筋混凝土混凝土樓板的應(yīng)力分布規(guī)律以及樓板主應(yīng)力跡線(xiàn)分布特征等。
(4)基于對(duì)十字形節(jié)點(diǎn)的傳力機(jī)理分析，得出其可能出現(xiàn)的失效模式。在此基礎(chǔ)上，采用彈性方法推導(dǎo)了節(jié)點(diǎn)開(kāi)裂彎矩的計(jì)算公式；對(duì)比節(jié)點(diǎn)各個(gè)組件所確定的最大抗彎承載力和組合梁自身的最大抗彎承載力，推導(dǎo)了節(jié)點(diǎn)抗彎承載力計(jì)算公式；在

6、分別建立節(jié)點(diǎn)域內(nèi)外鋼管腹板的三折線(xiàn)抗剪計(jì)算模型、節(jié)點(diǎn)域內(nèi)外鋼管翼緣的抗彎計(jì)算模型和節(jié)點(diǎn)域夾層混凝土的斜壓桿計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用疊加原理建立了節(jié)點(diǎn)抗剪承載力計(jì)算公式；采用組件法建立了節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度計(jì)算模型，由此建立了節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角三段線(xiàn)骨架曲線(xiàn)模型；采用試驗(yàn)擬合法建立了考慮或不考慮滑移效應(yīng)的荷載-位移滯回曲線(xiàn)三折線(xiàn)恢復(fù)力模型。
(5)在總結(jié)全文試驗(yàn)研究、有限元模擬及理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究成果，提出了節(jié)點(diǎn)

7、的抗彎承載力和抗剪承載力設(shè)計(jì)方法，以及提出了節(jié)點(diǎn)中相關(guān)組件的計(jì)算及構(gòu)造措施建議，具體包括：中空夾層鋼管混凝土柱、鋼筋混凝土樓板、栓釘連接件、穿心螺栓、T型鋼連接件、角焊縫和加勁肋等。
上述研究成果表明：本文提出的T型鋼螺栓連接組合節(jié)點(diǎn)具有良好的受力性能，能夠滿(mǎn)足地震區(qū)的組合框架結(jié)構(gòu)或框筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。本文的試驗(yàn)和理論研究成果可作為該類(lèi)型組合節(jié)點(diǎn)在實(shí)際工程應(yīng)用中的基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。所建議的設(shè)計(jì)方法能為我國(guó)相關(guān)規(guī)范的編制