扁钢管混凝土柱—型钢梁节点优化设计及力学性能研究

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钢管混凝土结构以其优越的力学性能、经济性、建筑适用性在工程中得到了越来越广泛的应用。扁钢管混凝土柱指柱截面长宽比介于2~4之间的一类柱,由于该类柱截面宽度一般仅200mm,与建筑设计墙体同宽,容易符合建筑平面要求,能够适应目前市场主流户型需求,可以做到室内不露柱,既美观大方又能方便用户使用,因此受到房地产开发商的青睐。但扁钢管混凝土柱最大的缺点是扁钢管对混凝土约束不足,柱弱轴方向抗侧刚度低。扁钢管混凝土柱截面长边方向与型钢梁相连时,柱钢管在梁端弯矩作用下易发生向外侧的屈曲变形。针对这种情况,本文提出了一种新型节点连接方式,具体工作如下:(1)本文结合国内外关于矩形钢管混凝土柱与型钢梁节点连接方式,提出了一种新的适用于扁钢管混凝土柱-型钢梁节点连接方案,由于节点采用穿芯高强螺栓连接,可用于现场装配式安装。然后采用非线性有限元软件ABAQUS对提出的节点连接方式进行破坏机理研究分析和参数分析,模拟采用柱端加载方式。结果表明:扁钢管混凝土柱截面短边方向刚度足够大,梁仅焊接于柱上即能满足设计要求;以轴压比、混凝土强度、螺栓预紧力、外套板厚度、梁端板厚度、加劲肋厚度、柱钢管厚度为变化参数,分析了各参数对节点荷载位移曲线的影响,结果表明轴压比、梁端板厚度和加劲肋厚度对节点承载力影响较大;节点的受力性能与梁的布置位置有关,对于中节点,梁错位偏心布置时节点承载力最高,梁对称偏心布置次之,梁对称居中布置最差。(2)根据提出的节点连接方式,设计了5个节点试件,包括3个中节点和2个边节点,详细地介绍了试件的制作过程和试验流程,并通过对5个试件进行低周反复荷载试验,对试件的破坏形态、滞回曲线、强度、刚度、延性、耗能和应变等抗震性能进行了分析和讨论。结果表明:试验构件为典型的“强节点弱构件”试件,在不断增大的柱端循环位移作用下,梁翼缘和腹板均发生明显屈曲变形,梁端形成塑性铰,表现出良好的承载力和延性。此外,梁的不同布置方式对承载力、延性和耗能能力影响较大,梁对称偏心布置时其承载力和延性明显高于梁对称居中布置,但后者耗能能力优于前者。(3)本文最后根据试验和模拟结果,对提出的梁柱节点形式进行了优化设计,对其力学性能进行了分析,进而对所提出的新型扁钢管混凝土柱-型钢梁节点的施工工艺和设计方法提出了相应的建议。
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