利用钢梁拼接耗能的框架结构抗震性能研究.pdf

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1、第27卷第2期苏州科技学院学报(工程技术版)Vo1．27No．22014年6月JournalofSuzhouUniversityofScienceandTechnology(EngineeringandTechnology)Jun．2014利用钢梁拼接耗能的框架结构抗震性能研究刘学．李启才(苏州科技学院土木工程学院，江苏苏州215011)摘要：在以往试验和拼接节点弯矩一转角模型的基础上，对弯矩一转角模型进行修正并提出了新的划分标准。将修正后的模型赋予框架中的拼接单元．并通过有限元计算，研究了该型结

2、构的破坏形态、荷载一位移曲线、滞回曲线及耗能性能等，检验了该型结构的抗震性能。分析表明，利用钢梁拼接耗能的框架结构在弹性阶段与纯框架性能相同。塑性阶段利用拼接区接触面的滑移和螺栓孔壁的挤压来消耗能量，提高了结构的抗震性能。关键词：钢粱拼接耗能；结构抗震性能；滞回曲线；弯矩一转角曲线中图分类号：TU391文献标识码：A文章编号：1672—0679(2014)02一o053—04带悬臂梁段拼接的梁一柱连接节点传统上一直是按照与梁截面等强拼接来进行抗震设计，高强螺栓在使用过程中不得出现滑移。Astane

3、h—Asl[提出将梁的拼接节点设计成半刚性，允许高强螺栓在强震下产生滑移，利用摩擦面的滑移和螺栓与孔壁间的挤压来消耗地震能量，减小强震作用对梁一柱之间连接焊缝的破坏。李启才等[2~31通过试验和有限元分析研究了该类型节点在循环荷载作用下的破坏机理，并指出拼接节点对构件的初始刚度和极限承载能力影响较小，且如果将拼接节点设计得弱些，可利用其在强震下的转动来提高结构的耗能能力。马良[41指出，该类型节点在考虑混凝土楼板作用后，刚度和承载力均有所提高。王斌[51提出了拼接节点的滞回模型并进行了弹塑性时程分

4、析。结果表明，利用拼接节点耗能可以有效减小框架的地震反应。提高结构的抗震性能。目前对这种连接形式的研究主要还是针对节点本身，利用钢梁拼接耗能的框架结构对抗震性能的影响还需进一步研究和讨论。因此在前人研究的基础上，对拼接节点的弯矩一转角关系进行修正；并通过有限元计算，来研究利用钢梁拼接耗能的框架结构的抗震性能。1弯矩一转角(肛)曲线文献【5】中高强螺栓拼接节点的弯矩一转角关系模型：当拼接处高强螺栓滑移弯矩大于梁一柱截面屈服时对应的拼接截面弯矩‰时，为两折线型；反之为三折线型。其中J7lⅣb[nbf(

5、一tf)+nb~2bw】式中，n为粱一个翼缘单侧螺栓用量；nbw为腹板一侧螺栓的排数；h为梁截面高度；为梁翼缘厚度；h为腹板一侧各排螺栓距中和轴距离之和。在归纳整理以往试验的拼接节点曲线并进行高强螺栓滑移过程分析的基础上，对上述拼接节点弯矩一转角关系模型进行了三点修正。首先将拼接节点的一曲线类型由两折线型和三折线型分为两折线型、中间型及三折线型，判断依据为高强螺栓滑移弯矩与梁一梁拼接极限承载能力的比值关系。一般来说，当0．8≥Mt>0．65时，连接单元为两折线型；当0．65>。>O．55时，连接单

6、元为中间型；当0．55≥／>0．4时，为三折线型。其中，中间型采用两折线型的图式，但其转动能力介于两折线型和三折线型之间。其次对模型中高强螺栓滑移后的拼接区转动刚度进行调整。使转动刚度与已有试验结果吻合得很好，也使两【收稿日期]2013-03—21[基金项目】苏州科技学院科研基金项目(XKZ201204)【作者简介]刘学(1987一)男，江苏泗阳人，硕士研究生。苏州科技学院学报(工程技术版2014折线型、中间型和三折线型在计算上区分开来。最后根据有限元模拟的要求。将弯矩一M转角关系模型变换为弯矩一

7、塑性转角关系模型。修正后的弯矩一转角模型见图l。训2有限元的模拟验证‘为了验证上述弯矩一转角关系的合理性以及有限元程序模拟的有效性，现选取文献[3]中的SBS一3和SBS一4试件，对其进行有限元模拟验证。／／2．1有限元模拟方法高强螺栓拼接节点的接触非线性将会使框架的模拟模型非常复杂，而且求解所图1弯矩一转角模型需要的时间很长，甚至成为不可能。因此，根据文献[5]中拼接单元的概念，在结构整体分析中利用拼接单元来代替整个拼接节点进行模拟。拼接单元由赋予了M—曲线关系的connector单元构成。在模

8、拟中，将拼接处两段梁的截面分别在其形心处与关键点耦合，然后在两个关键点之间用一个connector单元连接。这样．connector单元可以约束住悬臂梁段与中间梁段的三个平动自由度和面外的两个弯曲自由度。悬臂梁段与中间梁段只能在面内作弯曲转动。2．2有限元模拟结果模拟验证和试验所得滞回曲线分别如图2—5所示。模拟曲线和试验曲线形状相似、关键点数值较为接近，说明了该方法用于模拟实际问题的有效性。300：：：’3OO一os。1-0．0．图2SBS一3模拟曲线图3SBS一3试验曲线图4S