RBS节点钢框架设计方法与极限承载力理论研究

从极限分析理论出发,就翼缘削弱型节点(简称RBS节点)对结构破坏模式与极限承载力的影响进行研究.首先对美国FEMA提出的RBS节点设计方法进行分析,并讨论了该设计方法中的不足.针对上述不足,将极限荷载的唯一性定理推广到同时承受比例荷载与固定荷载的结构;对于满足强柱弱梁要求的框架结构,进一步论证了其横梁极限内力状态的唯一性.以此为基础,提出了针对美国FEMA RBS节点设计步骤的补充验算公式;针对组合破坏机构,提出了RBS节点设计新方法.其次,对RBS节点钢框架的极限承载力进行了理论推导,得到了极限承载力理论计算公式,同时明确了极限承载力的影响因素.最后,利用Abaqus有限元分析软件验证了上述理论研究结果的正确性.

梁端削弱形式对火灾下钢框架抗连续倒塌性能影响

为探究不同梁端削弱形式对火灾下钢框架结构抗连续倒塌性能影响,对中柱失效2层2跨钢框架梁-柱子结构进行常温下Pushdown加载试验,研究其竖向抗力曲线和破坏模态。试验结果表明:中柱失效钢框架结构主要依靠弯曲机制和悬链线机制抵抗外加荷载,且悬链线机制具有滞后性。随后在试验的基础上,通过ABAQUS建立二层平面钢框架模型,并对其展开常温下和火灾下的拟静力模拟,对出现的削弱型梁翼缘、二次削弱型梁翼缘、开洞梁腹板和开洞梁翼缘4种梁端削弱方式进行抗连续倒塌分析。有限元结果表明:削弱型梁翼缘和二次削弱型梁翼缘不论在常温还是高温下,都能提供比未削弱情况下的模型更高的结构竖向抗力和变形能力。较于其他梁端削弱形式,考虑悬链线效应,二次削弱型梁翼缘变形能力最好。

悬臂梁段不同拼接方式下延性节点静力性能分析

为了解决装配式钢结构的抗震问题,提出3种适用于模块化装配式钢框架的带Z字形悬臂梁段拼接的梁柱节点,通过拼接区的滑移或者削弱梁段的塑性变形实现节点良好的延性性能.为减少强震作用对梁柱连接焊缝的破坏,对3种不同的节点提出了各自的抗震设计要求.在对3组试件进行足尺静力试验的基础上,对节点进行了单调加载有限元分析.获得了节点的弯矩-转角曲线以及节点的破坏模式,并和试验结果进行了对比,得到了接触面摩擦力和螺栓拉力的变化规律.通过推导的简化计算公式对节点的初始转动刚度、滑移荷载和屈服荷载进行了计算.结果表明:节点静力加载的破坏模式为靠近拼接区域的悬臂梁下翼缘或者削弱梁段单独或者同时发生较大的局部屈曲变形,节点在破坏前经历了充分的塑性变形,属于延性破坏,3种试件都有良好的延性性能和塑性转动能力.节点简化计算公式得到的结果和试验结果吻合良好.

梁翼缘削弱式钢框架考虑节点域剪切变形的力学性能研究

钢框架采用翼缘削弱型节点(RBS)可以提高结构延性,满足结构抗震设计要求。考虑框架节点域的剪切变形,导出连带节点域的RBS梁、柱单元刚度矩阵,利用计算软件MATLAB对RBS节点钢框架结构的内力及变形进行了分析和计算。分析结果表明:在水平荷载作用下节点域剪切变形对RBS节点钢框架变形影响较大,层位移、层间位移以及节点总转角的增量均随层数的增加而相应增大,节点域剪切变形对框架内力的影响较小;工程设计中应考虑节点域剪切变形对RBS节点钢框架侧向刚度的不利影响。

狗骨式钢结构梁柱节点的冲击荷载试验研究和有限元分析

设计采用FEMA标准过焊孔构造的2个削弱型狗骨式全焊连接的钢结构梁柱节点试件,对试件施加落锤冲击荷载来模拟结构的动态倒塌效应,考察狗骨式节点削弱程度对钢框架梁柱节点抗冲击性能的影响。通过试验获得节点试件的破坏形态及其冲击荷载和位移时程曲线,分析试件冲击过程动态响应规律以及节点动态转角和耗能能力。试验结果表明:节点试件的主要破坏形态是钢梁塑性铰截面上翼缘屈服的面外变形和腹板扭曲变形;2个节点试件均具有良好的抗冲击转动能力,其最大转角均远远超过FEMA350标准抗震设计的转角限值(θ=0.077 rad)要求;削弱型狗骨式全焊连接节点相对普通全焊接节点的耗能能力和延性均明显提高。采用ABAQUS软件建立了狗骨式梁柱节点子结构的有限元分析模型,通过分析狗骨式梁柱节点在冲击作用下内力发展规律可知,狗骨式节点设计有助于构件向悬链线效应转换。

PEC柱(弱轴)–削弱截面钢梁端板连接组合框架抗震试验研究

设计制作了1榀卷边PEC柱(弱轴)–削弱截面钢梁端板连接组合框架结构底部两层单跨1∶2缩尺模型试件,并对其进行拟静力抗震试验研究。结合试验过程现象记录和实测数据整理,对试件滞回特性、刚度退化、节点连接性能、抗震延性与耗能能力、损伤发展进程和破坏模式等进行分析。结果表明:采取卷边措施有效改善了常规PEC柱弱轴方向的抗侧刚度;梁端削弱截面实现了梁端塑性铰形成位置远离节点区,试件滞回曲线较为饱满,且在梁与端板焊缝存在缺陷条件下,其整体侧移、延性系数和等效黏滞阻尼比仍达到3.77%(推)/3.37%(拉)、2.94(推)/3.23(拉)和0.281,即试件变形、抗震延性与耗能能力良好;端板预拉对穿螺栓和节点加强板设置使得节点区形成混凝土斜压带传力模式,改善了节点区剪切性能;试件破坏模式为梁端削弱截面和PEC柱脚形成塑性铰的理想塑性机构,变形与耗能能力发挥充分。

翼缘削弱型节点空间钢框架在低周反复荷载作用下的抗震性能

为研究翼缘削弱型节点空间钢框架在低周反复荷载作用下的抗震性能,采用有限元分析软件ABAQUS对普通节点和翼缘削弱型节点的空间钢框架模型进行有限元模拟,对2种钢框架模型的破坏形式、承载力、滞回性能、耗能能力、强度及刚度退化性能等进行了对比分析。结果表明:翼缘削弱型节点可使梁端塑性铰外移至梁端翼缘削弱处,避免梁端焊缝处应力集中导致脆性破坏;翼缘削弱型节点等效粘滞阻尼系数与普通节点空间钢框架相比有明显的提高,进入屈服阶段后由于应力重分布,其刚度及承载力退化速度较普通节点空间钢框架慢,翼缘削弱型节点钢框架具有梁铰延性破坏机制,抗震性能较好。

近场加载制度下狗骨式钢框架子结构抗震性能的试验评估

为评估狗骨式钢框架子结构在近场加载制度下真实的抗震性能,改变钢梁翼缘和腹板的板件宽厚比设计了2榀单跨狗骨式钢框架子结构试件。通过对狗骨式钢框架子结构试件按Krawinkler提出的用于模拟近场带速度脉冲的加载制度进行拟静力试验,重点评估了狗骨式钢框架子结构的破坏形态、变形能力及累积耗能能力等性能。试验结果表明:试件钢梁端部焊缝未出现脆性断裂,狗骨式钢框架子结构均可通过近场加载的抗震性能检验。两个试件的钢梁翼缘削弱部位均在近场加载制度阶段出现延性塑性铰,并形成了理想的塑性屈服机构。具有较小板件宽厚比的试件Frame-1在延性系数、累积延性比、累积滞回耗能及等效能量耗散系数等方面均大于板件宽厚比较大的试件Frame-2。

狗骨式钢框架子结构节点的累积变形及耗能能力

目的研究在不同加载制度下狗骨式钢框架子结构中节点的累积塑性转角、累积延性比及累积耗能能力的计算方法,为钢框架结构基于性态的抗震设计理论提供参考.方法基于所完成的6榀狗骨式钢框架子结构的拟静力试验,给出了钢框架子结构中典型狗骨式节点的滞回曲线,归纳了所有狗骨式节点的破坏模式、累积塑性转角、累积延性比及累积耗能能力,重点考察加载制度、板件宽厚比对其性能的影响.结果钢梁板件宽厚比对钢框架子结构中狗骨式节点的显著屈服转角有一定影响,钢梁板件宽厚比越大,则狗骨式节点越易发生先屈曲后屈服现象.加载制度对钢框架子结构中狗骨式节点的累积塑性转角及累积耗能能力有显著影响,所施加的循环位移越小,其累积塑性转角及累积耗能能力越大.结论通过统计分析回归了狗骨式节点的累积塑性转角、累积延性比及累积塑性耗能能力的计算公式,对提出狗骨式钢框架结构基于性态的抗震设计方法具有指导意义.

方钢管混凝土柱-翼缘削弱型钢梁内隔板节点力学性能研究

翼缘削弱型节点可将塑性铰外移到梁端,从而有效地保护节点,避免发生脆性连接破坏。基于ABAUQS软件,参照目前钢框架节点的削弱参数取值,对方钢管混凝土柱-翼缘削弱型钢梁内隔板节点力学性能的影响进行了数值模拟,结果表明:合理选择相应的翼缘削弱参数,可在承载力降低不明显的情况下实现此类节点塑性铰外移,且位移延性有所提高。基于前述模型,对此类节点的翼缘削弱参数对其承载力和位移延性的影响进行了参数分析,最终建议了此类节点削弱深度的合理取值范围。

带内隔板的方钢管混凝土柱-翼缘削弱型钢梁节点抗震性能研究

梁柱节点作为结构受力的关键部件,对结构体系的受力和抗震性能至关重要。在合理选取混凝土及钢材材料模型的基础上,本文采用ABAQUS有限元软件建立了方钢管混凝土柱-翼缘削弱型钢梁(RBS)内隔板式节点数值分析模型,分别进行了单调加载和往复加载下滞回性能的数值模拟,并将有限元模型计算结果与已有试验结果进行了对比,总体上吻合良好。基于此数值模型,对该类节点在低周往复荷载作用下的滞回性能进行了分析对比,并研究了翼缘削弱深度对RBS节点抗震性能的影响。结果表明,对梁翼缘进行削弱,不仅符合"强柱弱梁"的设计要求,还能明显改善普通钢管混凝土柱-钢梁内隔板式节点的延性,提高其抗震性能。并根据计算结果,本文对翼缘削弱深度的取值给出了初步建议。

不同构造形式节点域箱形加强式工字形柱弱轴连接削弱型节点抗震性能分析

首先采用ABAQUS有限元软件,结合国内已通过试验验证的节点域箱形加强式工字形柱弱轴连接以及已有的焊接节点试验,验证了有限元模拟的有效性。在通过有限元软件ABAQUS模拟几种不同构造形式的削弱型节点,并与标准型节点在单调荷载作用下的承载力、循环荷载作用下的滞回曲线、骨架曲线、强度与刚度退化曲线、断裂指数等方面进行了对比分析,研究结果表明:节点域箱形加强式工字形柱弱轴连接节点局部削弱可以改善节点的破坏形态,实现塑性铰的外移,防止节点脆性断裂;当采用节点域箱形加强式工字形柱弱轴连接的节点形式,由于弱轴方向本身抗侧刚度较大,同时考虑建筑功能要求、抗震效果及经济性等指标,弱轴方向宜采用削弱型节点,其中腹板开孔型节点承载力及刚度没有过多的下降,且滞回曲线饱满,耗能性能及延性较好。而狗骨削弱型节点存在侧向失稳的问题,因此建议节点域箱形加强式工字形柱弱轴连接削弱型节点应采用腹板开孔型节点。

延性节点简化理论在钢框架的力学应用

采用延性节点的钢框架具有良好的耗能能力,已经在工程中获得更多的应用。但由于延性节点构造复杂,框架实体结构的仿真模拟往往需要耗费大量的时间和精力。为提高数值计算效率,本文将现有普通节点简化理论进行改进优化,提出适用于延性节点的简化理论模型,并分别对3层1跨的实际及采用延性节点简化理论模型的钢框架进行静力加载对比分析,结果表明:采用简化理论模型与实际的钢框架静力加载分析结果吻合良好,说明延性节点简化理论模型用于钢框架简化计算是可行的,误差满足工程安全度需求,并且将极大简化钢框架结构的数值计算过程,成倍提高计算效率。

卷边钢板组合截面PEC柱(柱强轴)-钢梁狗骨式框架结构抗震分析

为系统研究卷边钢板PEC柱(柱强轴)-钢梁狗骨式连接组合框架结构的抗震性能,以代表多层框架底部两层的一榀两层单跨1:2缩尺试验试件为基本研究对象,采用ABAQUS对其抗震性能进行数值模拟。基于模拟数据整理分析试件滞回性能、刚度退化、抗震延性与耗能、结构变形类型与破坏模态等。研究结果表明:采取狗骨式连接方式可将梁端塑性铰形成位置转移到削弱截面处,降低了节点处连接焊缝的抗震要求,使得节点具有良好的转动能力和抗震耗能性能;试件一层层间初始抗侧刚度明显大于二层,但随着加载的进行,梁端削弱截面与PEC柱脚相继形成塑性铰,一层与二层层间抗侧刚度差异不断减小;在水平力产生的倾覆弯矩作用下试件整体和一层的受压侧PEC柱承担剪力大于受拉侧PEC柱,试件二层水平总剪力基本由两PEC柱平均承担,且试件层间为剪切型变形模式;水平循环荷载下试件最终破坏模式为:梁端狗骨式截面处充分屈服和PEC柱脚钢骨架截面屈服与混凝土压溃均形成塑性铰的延性破坏模式。模拟终止对应试件整体、一二层间峰值侧移角和上柱左节点连接转角分别为0.047rad、0.042rad、0.051rad和0.038rad,均超过罕遇地震水平下框架结构层间侧移限值1/30,试件抗倒塌能力良好。

翼缘削弱型钢框架梁柱子结构抗倒塌性能数值模拟

为了研究翼缘削弱型钢框架的抗倒塌性能,采用ANSYS/LSDYNA有限元软件对已完成的钢框架梁柱子结构pushdown试验进行有限元(FE)模拟,并将模拟结果与试验结果进行对比验证其准确性。在此基础上,通过改变选取钢框架子结构的去柱位置进行拓展参数研究,分析了五种去柱工况钢框架梁柱子结构倒塌过程中的破坏模态与抗力曲线。有限元分析表明角柱失效工况承载能力是这五种工况中最低的,在相同结构形式,倒数第二边柱与倒数第二内柱发生倒塌的可能性较高。

摇摆防屈曲支撑钢框架抗震性能分析

基于防屈曲支撑钢框架(BRBSF)和摇摆防屈曲支撑钢框架(RBRBSF)拟静力试验,建立BRBSF和RBRBSF的有限元模型,利用OpenSees有限元软件对试验框架中采用的梁端削弱截面(RBS)进行分析,研究RBS对BRBSF和RBRBSF性能影响,并基于有限元模型进一步分析BRB参数对RBRBSF的影响.研究结果表明,梁端设置RBS可减小BRBSF梁柱节点弯矩,实现塑性铰外移,但对RBRBSF梁柱节点弯矩影响较小,BRB参数的改变对RBRBSF屈服荷载和承载能力有一定影响,但对框架柱轴力影响较小.

梁端翼缘削弱型节点空间钢框架抗震性能试验研究

为研究梁端翼缘削弱型节点钢框架的抗震性能,设计钢框架试验加载装置,进行1∶3缩尺比例的2榀2层1跨梁端翼缘削弱型节点空间钢框架的低周往复荷载试验,研究其受力特点及破坏形态,对模型框架结构的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、承载力退化、塑性耗能能力等抗震性能进行分析。试验结果表明:空间钢框架的8个梁端翼缘削弱型节点塑性铰均外移至圆弧削弱区域,所有节点的梁柱连接焊缝均未出现裂缝,荷载-位移滞回曲线饱满,破坏时结构位移延性系数介于3.05~3.82之间,等效黏滞阻尼系数介于0.34~0.41之间,弹塑性极限位移层间转角介于0.035 5~0.044 5 rad之间。钢框架梁柱连接采用圆弧削弱型节点可使梁端应力平缓过渡,避免梁柱连接焊缝处产生应力集中现象,钢框架塑性内力重分布后对圆弧削弱型节点的耗能性能没有明显影响。圆弧削弱型节点在钢框架中表现出较好的延性性能,提高了钢框架整体结构的抗震性能及塑性耗能能力。

钢框架梁翼缘削弱型节点循环荷载作用下的有限元分析及试验研究

基于钢框架翼缘削弱型节点低周往复荷载试验的5个试件和1个普通节点的试件,在合理选择有限单元类型基础上,采用通用有限元软件ANSYS对节点进行了循环荷载作用下的受力性能有限元分析,研究了翼缘削弱型节点的破坏形态、极限荷载、最大塑性转角、延性性能、耗能性能。有限元计算得到的荷载-位移滞回曲线及局部破坏形态与试验结果符合较好。研究结果表明:对梁翼缘进行适当削弱后形成的骨型节点在梁翼缘削弱区域可以形成一个扩大的塑性铰区,耗散大部分能量,避免梁根部应力发展导致梁柱连接焊缝过早出现脆性破坏,并且比传统节点具有更强的耗能能力,是一种较为理想的延性节点。研究结果还表明,梁柱间对接焊缝具有良好质量才能充分发挥翼缘削弱型节点的耗能性能。

钢框架梁翼缘削弱型节点力学性能的试验研究

梁翼缘削弱的梁柱刚性连接是将塑性铰外移的一种典型节点形式。为研究这种连接形式在循环荷载作用下的滞回性能,共进行了6个模型的拟静力加载试验,其中5个模型用于研究梁翼缘的削弱深度、削弱长度、削弱起始位置对节点连接的破坏形态、极限荷载、最大塑性转角、延性性能的影响。作为比较,还进行了一个传统型梁柱全焊接刚性模型连接的试验。试验结果表明:梁翼缘削弱节点比传统梁柱刚性连接具有良好的塑性变形能力和耗能性能,试验中5个节点的塑性转角都大于0.04rad,延性系数大于4.0,达到了抗弯钢框架连接塑性转角不小于0.03rad,延性系数不小于4.0的要求。而普通梁柱全焊接刚性连接的塑性转角仅达到0.026rad,延性系数仅为2.4。5个试件的破坏主要以翼缘削弱处平面外刚度较弱而导致梁发生扭转失稳或梁下翼缘与柱连接的对接焊缝的脆性断裂为主。研究结果表明:将梁翼缘进行适当的削弱后形成的骨型节点可以增加梁柱节点的耗能性能,是一种较为理想的延性节点。

考虑加载制度影响的狗骨式连接钢框架子结构抗震性能试验研究

为研究加载制度对狗骨式连接钢框架结构变形能力及累积耗能能力的影响,设计了5榀单跨狗骨式连接钢框架子结构,对其进行单向加载、等位移循环加载、标准加载及近场地震动作用下的拟静力试验。结果表明:所有框架出现的塑性铰均在钢梁端部的翼缘削弱位置,避免了钢梁端部焊缝的过早脆性断裂;狗骨式连接钢框架结构滞回曲线饱满、变形能力及延性性能优良。此外,加载制度对狗骨式连接钢框架子结构的层抗侧刚度、水平承载力退化、极限变形能力及累积耗能能力均有显著影响。等位移循环时,加载位移幅值越小,狗骨式连接钢框架子结构的层抗侧刚度及承载力退化越趋于缓慢,其层间累积延性系数及等效能量耗散系数越大。