半刚性连接钢框架—支撑体系抗震性能理论分析与试验研究

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钢结构建筑具备轻量化、施工速度快、抗震性能优良和工业化程度高等优点,是目前装配式建筑的主要形式之一,而梁柱螺栓节点是实现钢结构装配式建造的关键。在实际工程中,梁柱螺栓节点均体现一定的半刚性。将半刚性节点钢框架与中心支撑相结合,形成的半刚性连接钢框架-支撑体系,是一种具备双重抗侧力体系的装配式建筑结构体系,同时又是一种抗震和减震合一的结构体系。半刚接钢框架变形能力和耗能能力较强,中心支撑可以弥补半刚接钢框架抗侧强度的不足,因而该体系具有良好的工程应用前景。本文采用试验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法,对半刚性连接钢框架-支撑体系的抗震性能进行了研究。主要内容和成果如下:(1)开展了半刚性连接钢框架-支撑体系的低周往复荷载试验。选取带腹板耳板的顶底角钢连接、外伸端板连接和T形钢连接三种半刚性螺栓连接,以及人字形和交叉形两种常用中心支撑形式,设计了 6榀两跨两层试件进行低周往复荷载试验,研究了该体系的承载能力、位移延性、刚度退化、耗能性能和破坏模式,并对各试件的抗震性能进行了对比。结果表明:半刚性连接钢框架-支撑体系具有优良的抗震性能。支撑体系与半刚性钢框架协同工作性能良好,结构具有两道抗震防线。结构采用外伸端板连接时其承载力和延性优于其他两种节点形式。结构采用人字形支撑时其构件的塑性开展顺序更加合理,结构具有更优良的承载能力、耗能性能和延性。(2)进行了半刚性节点和试验试件的有限元分析。分别建立了带腹板耳板的顶底角钢连接、外伸端板连接和T形钢连接的有限元模型,研究了其抗震性能;分别采用ABAQUS和SAP2000建立试件的有限元计算模型,将有限元计算结果与试验结果进行对比。有限元分析结果与试验结果吻合较好,采用的有限元分析方法具有可行性和有效性。分析结果表明:外伸端板连接的抗震性能优于其他两种节点形式。人字形支撑钢框架的滞回性能、承载能力、耗能性能和延性均优于交叉形支撑钢框架。(3)分析了支撑体系与半刚接钢框架的协同工作机制。基于简化力学模型,推导了半刚性连接钢框架-支撑体系的水平抗侧刚度计算公式,设计12个分析模型并进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,探讨了该体系的最佳抗侧刚度比取值。对最佳抗侧刚度比分析模型进行了静力弹塑性分析,研究了体系的整体抗侧力性能,明确了支撑体系和半刚性框架的协同工作机制。结果表明:当抗侧刚度比取3时,结构最大层间位移角最小,支撑体系的耗能占比最大;支撑体系先于半刚接钢框架进入塑性阶段;支撑受压屈曲时,支撑体系承载力达到最大值,此时半刚接钢框架仍处于弹性阶段,符合支撑体系作为第一道抗震防线的抗震设计理念。(4)研究了基于整体模型的半刚性连接钢框架-支撑体系在各抗震设防烈度下的抗震性能。建立不同设防烈度、不同高度的半刚性连接钢框架-支撑结构分析模型,对其进行多遇地震下的反应谱分析及罕遇地震下的动力弹塑性时程分析,研究了结构的最大层间位移角、楼层剪力分配和出铰机制。结果表明:在多遇地震和罕遇地震作用下,半刚性连接钢框架-支撑体系的最大层间位移角均能满足规范限值要求;在8度(0.20g)及以下设防烈度罕遇地震作用下,结构底层柱脚基本未出现塑性铰,表现出优良的承载性能;在8度(0.30g)及以上设防烈度罕遇地震作用下,结构底层柱脚陆续产生塑性铰,结构不适宜继续承载。
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