基于构造的全焊接钢框架梁柱节点动态抗倒塌性能研究

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结构在下层柱失效时,通过梁柱节点形成的悬链线机制来实现结构内力重分布能有效避免结构发生连续倒塌。然而大量现有钢结构在设计时并未考虑结构的鲁棒性,既有完全焊接钢框架结构节点的抗连续倒塌能力尚不清楚。因此,研究结构的倒塌响应和如何提高结构抗倒塌能力具有重要理论意义和工程实用价值。
  首先,采用落锤冲击试验装置和拉压转换装置进行试验,通过对试验过程中惯性力和应力波的传播等进行分析,验证了试验技术的可靠性。随后,共对120个钢材板材和焊缝进行了静力和动力拉伸试验,研究不同冲击速度下不同型号钢材(Q235、Q345)的板材和焊缝的破坏形态和力学性能,发现加载方式对不同母材强度的抗拉角焊缝破坏面角度的影响较大。试验得到了中等应变率范围的板材和焊缝的强度动力增大系数(DIF)和角焊缝动态剪拉强度比范围。分析了影响钢材应变率效应的主要因素,并提出了应变率10s-1~103s-1范围内基于C-S模型的钢材动态强度经验公式。
  将8个全焊接梁柱节点试件分为两组,分别进行静载和动态冲击试验研究,并介绍了两种加载方式下节点的破坏形态和受力响应特征。每组4个梁柱节点试件采用不同的焊接孔构造,对应的节点失效特征因而有异同之处:以节点处钢梁下翼缘断裂、梁腹板从下向上开裂为主要破坏特征,梁下翼缘裂纹通常始于焊接孔趾部;然而焊接孔形状、焊接缺陷以及焊缝热影响对梁下翼缘破坏形式和破坏位置有显著影响。试验结果表明,采用改进的扩大型焊接孔构造的节点转动延性最好。另外,对比静、动态冲击试验结果,进一步分析了节点在两种加载方式下的受力机理的差异。
  采用有限元软件ABAQUS建立梁柱节点的合理的简化有限元模型,模拟节点在静载下的响应和动态冲击加载全过程。在动态冲击模拟中考虑材料强化、焊缝模拟、应变率效应和合适的断裂参数,对节点的断裂破坏现象进行模拟,模拟结果与试验结果吻合较好,验证了简化模型和模拟方法的可靠性。分析了惯性效应对结构受力机理的影响。结果表明局部响应阶段惯性效应使构件出现反弯矩、剪力沿梁长分布不均等现象。另外,对静载和动态冲击加载作用下梁柱节点的跨高比以及动态冲击加载的冲击速度、冲击重量、冲击能量等参数分析,研究上述参数对节点抗倒塌能力等的影响。
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