地震循环载荷下钢结构梁柱焊接节点耗能与损伤行为的研究

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1、摘要由于钢结构具有重量轻、抗震性能好、工业化生产程度高和施工速度快等重要优点不仅在工业生产领域得到广泛的应用，同时，在高层建筑中也得到了越来越多的应用。但是在美国Northridge和日本Kobe地震中焊接钢结构的梁柱节点处出现了大量与焊接因素密切相关的脆断问题，因此，从焊接的角度对节点的抗震性能进行研究具有重要意义。地震过程中，节点通过自身变形耗散地震能量，节点的滞回耗能是评价结构抗震能力优劣的量度之一。同时，在地震能量作用下节点将呈现出不同程度的累积损伤破坏。有鉴于此，本文主要针对在地震循环载荷作用下钢结构梁柱节点的滞回耗能能力以及节点的累积损伤破坏等问题进行了一系列的

2、研究。本文应用大型有限元软件ANSYS进行了焊接钢结构周期性大变形静力试验的有限元模拟，以幅值逐渐递增的循环载荷模拟地震载荷，采用两种加载模式：铅垂向、水平向载荷对各国建筑中经常使用的H．H型、H．B型、B．B型焊接节点进行有限元分析，求出了节点在模拟地震载荷作用下的响应。提出了耗能系数的概念，计算了三种不同形式的焊接接点在不同加载模式下的耗能系数，对各节点的耗能能力进行了对比研究。计算结果表明：H．B型焊接节点的抗震耗能能力要优于其他两种类型的节点。本文提出了焊接节点的延性利用设计原则和塑性铰概念，在弹塑性有限元分析的基础上对体现延性设计概念的狗骨式节点进行了耗能能力和塑

3、性铰分析，研究表明：狗骨式削弱设计可以将梁柱翼缘焊缝的塑性铰有效的吸引到塑性较好的母材区域，避免了在薄弱的焊根部位形成塑性铰，使削弱的梁翼缘承担地震能量耗散的任务，保护了韧性较差的焊缝。循环载荷作用下，狗骨式节点的耗能能力优于普通节点。基于节点的塑性应变，本文提出了焊接节点在地震循环载荷作用下的累积损伤模型，并计算了H．H型、H．B型、B—B型、狗骨式焊接节点在不同载荷模式下的累积损伤。计算表明：在铅垂向循环载荷作用下，三种不同形式节点的累积损伤各不相同，由小到达的次序为：H—B型、H'一H型、B—B型。在水平向循环载荷作用下，三种不同形式节点的累积损伤由d,N达的次序为：

4、}{一B壁、{卜一H鳖、B一8型，在不改变节点基本尺寸的情况下，研究了焊缝形状系数列‘节点累积损伤的影Ⅱ向。逶过将不圈姻载攘式黠节点造成戆损蕊进行慰览，发现：在蟪震露，东平岛载荷对结构造成的累袄攒伤要大予镱垂向载荷造成的损伤。节点的损伤主簧由地面水平向运动造成。基于节点累积损伤的概念和有隈元分析，本文对16Mn钢结构焊接节点的强度匿鬣效应滋行了磷究，磷究表疆：节点隧配的改变对于节点整体塑性耗能能力并光明显影响。在铅垂向循环载荷作用下．离匹配焊缝的损伤要小于搏匹配焊缝的损伤。同时，在水平向循环载蔚作餍下，怒匿配浑缝兹攫耪也枣子等蘸配焊缝戆按经。研究了建筑常用钢16Mn和Q23

5、5B在地震载蘅作用下的动态断裂韧度弗与静态断裂韧殿进行了比较分析。使用紧凑捉伸试件避行了两种钢种焊缝和母材的常温动态、静态COD试验，秘载速率分潮为50mm／s、lOOmm／s葶【l§。Imm／s，诗舞了不露条箨下海缝耪鸯零孝的COD。计算结果表明，在常温下，随着加载速率的增大，16Mn钢焊缝和母材的CTOD值不断增大，说明常温下动载对16Mn钢焊缝和母树的断裂韧度怒有利的。但对Q235B嚣言，在攀滠下，戆蓑奏曩载速率匏缮大，Q235B镳海缝秘母糖瓣CTOD值不断降低，浇嘲常温下动载对Q235B钢焊缝和母材的断裂韧度产生不利影响，和静载相比，Q235B铜动载下断裂韧度值降低

6、了四倍有余。可以看出，常用建筑结构用钢Q235B的抗震性能较差。建议：对予需要考虑抗震戆力豹钢结穆静重簧部徉建议栗稍16Mn钢每l逡。关键词：烨接钢结构焊接节点有限元耗能系数塑性铰累积损伤延性撬震设诗强度嚣酝凌态CODABSTRACTNotonlythesteelstructureiswidelyusedintheindustrialfields．butalsoitiSwidespreadinthehighrisebuildingbecauseofitslightweight，goodearthquakeresistantperformance，highdegreeofth

7、eindustrializationandhighspeedofinstallation．However,intherecentcarthquakeofNorthridgeinAmericaandKobeinJapan．brittlefractureoccurredinthebeam—to-columnconnection．whichiSrelevanttothefactorsofwelding．So，itisveryimportanttodirecttheresearchofimprovingtheearthqu