装配式钢结构梁柱螺栓连接抗震性能及结构整体稳定研究

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装配式高层钢结构将钢结构建筑划分成许多模块,在工厂实现模块的加工制作,在施工现场实现模块的拼接装配。其能够实现快速施工、降低劳动强度及施工污染,属于绿色环保型建筑,符合我国建筑产业化的发展方向。  本文提出了适用于装配式高层钢结构的新型梁柱螺栓连接形式,即带柱座桁架梁全螺栓梁柱连接,对其进行了静力及拟静力试验研究和有限元分析,研究其承载能力、抗震性能等力学性能以及破坏模式。同时针对装配式高层钢结构中的带斜支撑节点钢框架结构进行了整体稳定分析,研究结构的整体稳定及斜撑柱的计算长度。  对用于实际工程的带柱座桁架梁全螺栓梁柱连接进行了静力单调加载试验,比较了焊接及高强螺栓连接两种不同的连接方式对连接静力性能的影响,分析了两种不同连接的应变发展规律及破坏模式。并改变主要受力腹杆的截面尺寸,对连接进行静力试验与对比分析,研究腹杆截面尺寸对连接的破坏模式及力学性能的影响。  对带柱座桁架梁全螺栓梁柱连接进行了静力试验,获得梁柱连接的承载能力、破坏模式。并进行了抗震性能试验,获得了梁柱连接的破坏模式及抗震性能,同时比较了不同桁架梁型号对此种梁柱连接各力学性能的影响。总结简化计算公式,与试验结果进行对比分析。同时指出此种梁柱连接形式在实际设计中存在的问题。  对于带柱座桁架梁全螺栓梁柱连接,研究盖板与弦杆间接触面滑移时各试件的破坏模式及力学性能,并与无滑移梁柱连接进行了比较分析,探究滑移耗能对改善此种梁柱连接抗震性能的作用。  对带柱座桁架梁全螺栓梁柱连接中处于实际受力状态下高强螺栓的预拉力及各接触面抗滑移能力进行监测,得到梁柱连接不同位置处各高强螺栓预拉力的变化规律以及主要加载时刻高强螺栓的应力状态。同时获得了各主要接触面抗滑移能力的变化规律。  考虑结构整体对核心模块新型斜支撑柱的约束作用,在结构整体中研究斜支撑柱的承载能力,通过极限承载力反推得到了斜支撑柱的计算长度系数。进行了30层结构的整体有限元分析,获得该结构体系在水平荷载超载、竖向荷载超载及二者同时超载下的极限承载力、破坏模式和机理。  通过对带柱座桁架梁全螺栓梁柱连接的静力和抗震性能试验研究及有限元分析,得到此种装配式梁柱连接具有较高的承载能力和良好的抗震性能,连接的破坏以桁架梁中腹杆的屈服、失稳以及弦杆靠近连接端部的变形为主,且可能伴随着桁架梁整体的平面外失稳。同时提出针对此种梁柱连接的近似计算方法,此方法偏于安全。减少盖板上高强螺栓个数时,盖板与弦杆之间会产生相对滑移,但滑移耗能能力不明显,试件耗能能力仍以材料的弹塑性变形耗能为主。盖板上不同位置处高强螺栓预拉力均有损失,且连接最外侧高强螺栓预拉力损失最大。通过对模块化装配式斜支撑节点钢框架结构进行稳定分析,得到斜撑能够显著降低柱子计算长度系数,如果1层柱子为一个整体,柱子的计算长度系数取0.5较合理;如果认为斜撑将柱子分成三段,则中间段柱子计算长度系数为1.2,上下两段为短柱,不需考虑稳定问题。
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