钢结构槽型约束抗剪耗能梁柱节点的抗震性能

作     者：陈俊杰 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马宁

授予年度：2021年

学科分类：081405[工学-防灾减灾工程及防护工程] 08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：梁柱节点 屈曲约束 耗能性能 疲劳性能 剪切变形 

摘      要：地震是结构安全最大的威胁,虽然钢结构被寄予厚望,但北岭地震和阪神地震中大量钢结构建筑因节点开裂发生的脆性破坏暴露出钢结构节点的抗震性能问题,由此开启了对钢结构梁柱节点更广泛更深入的研究。研究人员首先提出了基于延性设计理念的设计方法,这种节点能够避免脆性破坏,但由于修复困难、耗能效率低、荷载变化大等诸多缺点而逐渐被基于构件的设计方法取代,但它仍然存在构造复杂、耗能效率低的问题。基于屈曲约束和损伤控制概念,提出了一种槽型屈曲约束耗能梁柱节点,该节点采用预制的柱-悬臂梁构造,耗能板作为“保险丝连接梁段起到损伤控制的作用;槽型约束能限制耗能板的屈曲变形使耗能板在轴向充分发生塑性变形并耗能;同时梁翼缘作为约束的一部分能简化节点构造,节省建筑空间。在此基础上,提出了耗能板加劲肋和端部齿状约束两种抗剪构造,实现了对剪切变形的控制,避免了剪切变形的不利影响。通过理论分析、试验、有限元分析等方法研究了节点的抗震性能,具体内容和主要结论如下:(1)将槽型约束耗能梁柱节点中的耗能板和约束板取出作为一个耗能装置研究了剪切变形的影响。首先分析了槽型屈曲约束耗能装置中耗能板的变形过程,将耗能板看作一个横向受集中荷载作用的轴心受压构件并给出了临界荷载的计算公式和失稳时剪切变形的计算公式,计算结果与试验结果吻合较好。以失稳时的剪切变形为分界点,将剪切变形分为大剪切变形和小剪切变形,大剪切变形下耗能板发生失稳破坏,小剪切变形下发生强度破坏。根据影响剪切变形的因素提出了耗能板加劲肋和端部齿状约束两种节点抗剪设计方法并给出了相应的设计建议。(2)对矩形外套试件J、槽型约束初级形式试件P,耗能板加劲肋试件S1、S2,齿状约束试件D1、D2、D3、D4和耗能板加劲肋与齿状约束组合试件DS进行了低周拉压循环试验。试验结果显示,齿状屈曲约束加强形式能够控制耗能板的剪切变形,滞回曲线饱满,荷载稳定,耗能能力强,具有良好的疲劳性能,总体而言优于矩形外套试件;耗能板加劲肋加强形式加载前期的性能较好,后期由于裂缝开裂或焊接应力的影响性能较差,但优于初级形式。(3)试验分析重点研究了齿状约束试件D1、加长锯齿试件D2、加强底板试件D3、不对称齿状约束试件D4和耗能板加劲肋齿状约束试件DS的滞回性能和耗能性能。结果显示,锯齿长度对试件的荷载、刚度、延性性能影响不大,加长锯齿长度能提高耗能性能,但疲劳加载时的荷载稳定性较差。加强底板的荷载略低于耗能板加劲肋试件,刚度退化较快,但延性性能好,耗能多,耗能效率也高,剪切变形控制较好,基本稳定在2.5mm附近,其疲劳性能最好,疲劳滞回曲线饱满,疲劳寿命较长。(4)建立了以试件D1为原型的有限元模型,该模型的有限元结果与试验结果吻合较好。有限元分析结果表明,耗能板的自由屈曲长度过短、耗能板与外套的间隙过小都会对耗能板的疲劳性能产生不利影响,设计时耗能板上的平均应变应不高于1.5%,设计时间隙的取值范围宜为2.5～3.5mm。底板厚度过小则不能控制耗能板的剪切变形。锯齿和底板间距决定了锯齿的交接长度,锯齿的交接长度越大,对试件性能的不利影响越大,因此应控制底板间距和锯齿长度,降低锯齿的交接长度。底板在耗能板1/4处断开时试件的性能最好。(5)将齿状屈曲约束耗能装置应用到节点中并建立了相应的有限元模型,有限元结果显示二者的滞回性能基本一致。为了验证有限元参数分析得到的结论,本文将节点中的锯齿长度缩小,梁段断开位置则对应于耗能板的1/4处,建立了优化型齿状屈曲约束节点,节点显示优化节点具有良好的耗能性能,并能提高节点的疲劳性能。