型钢混凝土L形柱空间角节点抗震性能研究

【摘要】型钢混凝土异形柱结合了钢与混凝土的优点,同时将型钢混凝土矩形柱与钢筋混凝土异形柱的优点发挥到极致,已得到越来越广泛的应用。在结构体系中,节点不仅是传力的枢纽,还是受力的重要部位,对框架结构的重要性不言而喻。实际的地震作用方向是与建筑轴线呈任意角度,而L形柱因其不对称的截面特性使得型钢混凝土L形柱空间角节点的受力更加复杂,因此研究空间角节点更加合理的加载方式、抗震性能、破坏机理和剪扭承载力很有必要。在课题组已有研究的基础上,本文对型钢混凝土L形柱空间角节点进行了较为系统的研究。本文采用课题组设计的空间加载装置对12个型钢混凝土L形柱空间角节点进行低周反复加载试验,考虑了柱截面配钢形式、加载角度、轴压比和梁的形式4个变化参数。获取其破坏机理、荷载-位移滞回曲线及骨架曲线、荷载-应变滞回曲线、节点核心区剪切变形、梁截面平均曲率和特征点参数,并分析了不同变化参数对其峰值荷载、位移延性、极限侧移角、强度退化、刚度退化、耗能能力和累积损伤等抗震性能的影响。试验研究结果揭示了型钢混凝土L形柱空间角节点的破坏机理,即弱核心试件破坏形态是以节点核心区剪切斜压破坏为主,弯曲扭转伴随粘结破坏为辅,强柱弱梁试件发生的是梁端弯曲破坏。滞回曲线饱满,位移延性、耗能能力和抗倒塌能力较好,强度、刚度衰减缓慢,具有较好的抗震能力。实腹配钢试件的峰值荷载最高,配T型钢桁架的试件的延性、抗倒塌能力、耗能能力最好,配槽钢桁架试件各级位移下的的累积损伤程度最大。随着加载角度的降低试件的峰值荷载逐渐降低,延性略有增加,00加载试件较45°加载试件峰值荷载降低了约25%,并且各级位移下累积损伤程度最高增加30%,刚度退化速度0°加载试件最快,30°加载试件最缓慢。在一定范围内随着轴压比的增加,耗能能力更好,试件延性和抗倒塌能力变差,试件的刚度退化更加明显。梁形式为型钢混凝土梁的试件较梁形式为钢梁的试件峰值荷载提高38%,并且累积损伤有较大程度的缓解,延性、抗倒塌能力均较好,梁形式为钢筋混凝土梁的试件的刚度退化较带钢梁更加明显。采用有限元软件Abaqus对既有试验试件LJ-1-LJ-9进行有限元分析,破坏形态与试验相似,计算的滞回曲线较试验的更加饱满、对称,初始刚度和峰值荷载较试验值偏大,峰值荷载计算值与试验值的误差基本在10%以内,满足一般的精度。在此基础上设计各种工况下的足尺试件74个,并对其进行滞回特性有限元分析,考虑了柱截面配钢形式、轴压比、加载角度、混凝土强度等级、肢高厚比、配钢率、不等肢、梁线刚度、柱剪跨比9个变化参数,分析了各变化参数对型钢混凝土空间角节点峰值荷载、耗能和延性影响,与试验结果大致相符。综合试验与有限元结果得出主要结论并给出建议：1)工程设计中建议优先选用实腹配钢形式,因其较空腹配钢的峰值荷载提高10%以上,综合抗震性能最好；2)三种配钢形式的试件的位移延性随轴压比增加而下降,特别是配T型钢桁架试件下降最快,建议轴压比限值设计值为0.5；3)加载角度与峰值荷载的关系反映在极坐标轴内关于45°角和135°角对称,加载角在45°以内,随着加载角度的增加峰值荷载增加,加载角度为45°的试件的极限承载力较平面节点提高了约30%。0°是结构的最不利加载方向。试件的耗能和延性随着加载角度的增加逐渐降低,与平面节点相比,加载角度为45°的试件延性系数降低约10%,双向加载对结构的延性有一定的不利影响；4)混凝土强度等级的提高会降低试件延性,建议最优混凝土强度等级为C40；5)提高肢高厚比和柱截面配钢率均可提高试件峰值荷载和耗能能力,但延性变差。建议最优肢高厚比为3.0,最优柱截面配钢率为4%～6%；6)两肢高度比的增加会提高试件的峰值荷载和耗能能力,最大幅度高达16.2%,即使试件延性变差但仍大于3,若工程实际需要,长肢的高度最大可取960mm;7)梁线刚度的增加可以有效提高试件的峰值荷载和延性,与梁柱线刚度比为0.1的试件相比,梁柱线刚度比为0.45的试件峰值荷载增幅可达2倍以上,延性系数增加68%,建议梁柱线刚度比为0.4～0.5；8)柱剪跨比的增加会大幅降低试件的峰值荷载,也会降低试件耗能,剪跨比介于2.0～3.5,延性较好,建议剪跨比为2.0～3.5,对应的建筑层高可取2.80m～5.00m。在分析试验研究结果及对有限元数据的拟合和回归的基础上,提出了型钢混凝土L形柱空间角节点的极限抗剪承载力计算公式,该公式在已有的研究成果基础上引入了加载角度、抗扭降低系数、轴压比和梁高与柱高之比,其计算结果较符合试验结果,该公式具有一定的参考价值。
【作者】王妮；
【导师】燕柳斌；陈宗平；
【作者基本信息】广西大学，结构工程，2014，博士
【关键词】型钢混凝土；L形柱；空间角节点；斜向加载；抗震性能；累积损伤；非线性分析；剪扭构件；双向抗剪强度；

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