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钢框架梁柱外伸式端板螺栓连接抗震性能分析

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第34卷第6期 山 西 建 筑 V0I.34 No.6 ・108・ 2 0 0 8年2月 SHANXI ARCHITECTURE Feb.2008 文章编号:1009.6825(2008)06.0108—03 钢框架梁柱外伸式端板螺栓连接抗震性能分析 陈文忠 陈晓东 万 馨 摘要:通过19个梁柱节点试件的有限元分析,以端板尺寸、螺栓间距、端板加劲肋以及柱腹板加劲肋等为试验参数,分 析了节点的初始转动刚度和极限承载能力、延性与耗能、破坏形态等的影响,研究了螺栓端板连接的抗震性能,为钢结构 抗震设计提供必要的理论依据。 关键词:外伸式端板,抗震性能,有限元 中图分类号:TU352 文献标识码:A 1概述 量,这些特点使得半刚性连接成为一种既经济又可靠的连接方式。 钢结构中的节点连接对结构受力有着重要的影响,是保证结 2有限元分析 构安全可靠的关键部位。节点连接设计的原则必须是能完全的 2.1试件设计 传递连接构件的压力或拉力、弯矩、剪力等。梁柱节点采用外伸 对19个端板连接试件的计算滞回曲线做了分析和比较,主 式端板的螺栓连接是实际工程中常用的刚性连接,但大量试验结 要探讨了参数的影响:端板尺寸、柱轴压比、柱翼缘、腹板的尺寸、 果表明l】l2 J,这种连接属于半刚性连接,节点具有较强的耗能能 螺栓的直径、间距和预应力大小、端板加劲肋以及柱腹板加劲肋 力,可以耗散较多的地震能量而不致破坏,又可节省节点的用钢 等。梁柱构件尺寸见表1。 与高强混凝土柱但配置普通箍筋相比,柱截面尺寸由原来的 7cD /4=A =577 287㈣2。 1 300 mill×1 300 mill减,J、为1 200 mill×1 200 mill。 故:D= ̄/4A /丌=858 mill取D=900 mill,t=12 mill。 3.4型钢混凝土柱 D/t=75>20且D/£<85 ̄/235/ =88.86。 C65混凝土, =29.7 N/mm2,2> ,轴压比 =0.65,按型 此时Aa=33 476.8舢n2,A,=602 695.7舢n2。 钢混凝土组合结构技术规程规定:假定柱型钢的含钢率按轴压比 大于0.4,取l。 =4.5%,型钢采用Q235B级碳素结构钢,钢材厚 再按式0=(_, )/( 4 )可得0=0.402。 以此0值重新计算柱子轴向承载力: 度£≤16mill, =215 N/mm2。 N=_, (1+√0+0)=36 445 kN>31 680 kN。 由型钢混凝土组合结构技术规程式: 与型钢混凝土柱相比,柱截面由1 150 mill×1 150 mill方柱 =N/(_, + 4。)=N/[A ( + Hli )]。 减为外径 =900 mill圆柱,可见采用钢管混凝土柱效果相当好。 截面面积A =N/[ ( 十 Hli )]=1 237 802舢n2, A= 4结语 1 113 mill。 取b×h=1 150 minx 1 150 mill,hn=1 100 mill。 采用高强度混凝土,配有井字复合箍筋、复合螺旋箍筋、连续 此时 =Hn/(2hn)=1.705>1.5,判定属短柱。 复合螺旋箍筋或增设芯柱的钢筋混凝土柱、型钢混凝土柱、钢管 可见采用型钢混凝土柱比配置螺旋箍筋的钢筋混凝土柱效 混凝土柱、钢筋混凝土分体柱的方法均可不同程度减小柱子的截 果还要好。 面尺寸,尽量避免柱子不发生剪切型破坏,应用于高层建筑上应 3.5钢管混凝土柱 综合对比后确定。 C65混凝土, =29.7 N ,钢管采用Q235B级碳素结构 参考文献: [1]谭素群,李享.高层建筑抗震设计中短柱问题的处理[J].山 钢,控制管壁厚度£≤16 mill, =215 N ,按钢管混凝土结 西建筑,2007,33(4):81.82. ’ 构设计与施工规程规定:钢管的套箍指标0宜控制在0.3~3之 [2]李达,暴育红.钢筋混凝土框架梁柱节点的抗剪强度[J].山 间,假定钢管的套箍指标0=0.3,则由式N= (1+ +0), 西建筑,2005,31(21):82.83. 得截面面积A =N/[f ̄(1+√0+0)]=577 287舢n2。 Discussion on the type-selection of high-rise building’S columns and their contrast MALiang Abstract:The following paper introduces the advantages and disadvantages of six types of column’S section form used in high—rise buildings in the current,discusses the design and calculating method of columns with six forms,carries out contrast analysis of the effect of using mlumns with various forms,and points out the requirement should be satisfied by frame—column in high—ries buildign,in order to increase the bearign capacity of columns and perfect their earthquake resistant performance. Key words:high・ries building,characteristic,design,shear span ratio,axial compression ratio 收稿日期:2007—09—16 作者简介:陈文忠(1969.),男,工程师,攀枝花钢铁(集团)公司房产公司,四川攀枝花617067 陈晓东(1968一),男,工程师,北京司空建筑设计咨询有限公司,北京100088 万馨(1968.),女,硕士,副教授,内蒙古科技大学,内蒙古包头014010 维普资讯 http://www.cqvip.com 第卷第20 08#2 肯 陈文忠等:钢框架梁柱外伸式端板螺栓连接抗震性能分析 n1m ・109・ 表1试件主要构件尺寸 耗能系数;R 为节点初始转动刚度。 构件 l 截面高 l 截面宽 腹板厚 翼缘厚 柱 I 梁 I 400 350 l I 300 250 12 8 24 14 4结论分析 1)全部模型试件的初始转动刚度在4.2×10 kN・m/rad~ 4×10 kN・m/rad之间,而焊接节点的转动刚度为6× 为了模拟螺栓杆与螺栓孔壁之间的摩擦和挤压作用,螺栓和 6.ad,两者相差一个数量级,说明端板螺栓连接是典型 梁、柱截面均选用实体单元建模。通过对计算时间和计算精度的 10 kN・m/r 综合考虑,端板连接中板件和螺栓等实体均采用八节点六面体单 的半刚性连接。2)影响节点刚度的主要因素有:a.端板的抗弯刚度;b.柱腹 元(3D Solid45)。建立几何模型时,考虑网格划分的方便,宜先分 而其他因素如螺栓和端板加劲肋等的影响可以归 别建立梁和柱的整体模型,然后移动工作坐标平面用切割命令分 板的抗剪刚度,柱腹板加劲肋可归结为柱腹板抗剪刚 出节点区域。ANSYS可以完成单元智能划分,单元尺寸可人为 结为端板抗弯刚度的影响, 控制。为缩短计算时间并满足计算精度要求,应力较大的关键部 度的影响。3)所有试件节点极限承载力与梁端全截面塑性弯矩的比值 位,例如螺栓、螺栓孔周围和节点域板件部位的单元划分宜相对密 集,次要部位(如远离节点域的梁、柱)单元划分可相对稀疏些。 M /M曲在0.8~1.4之间,绝大多数不超过1,这主要与文中设计 2.2加载制度 试件中的端板比较薄弱有关。对于这种刚度较小的节点,象梁腹 采用反复循环静力加载试验方法,这种加荷制度速度较慢, 板角钢连接梁柱节点一样,魄/M曲一般都小于1,因此规范中对 在实际试验中可以进行细致的变形、应变等的量测。加载以位移 刚性结点所做的Mu/M ≥1.2的规定将不适用于半刚性节点。 控制,试件加载位置位于悬臂梁端,每级荷载最多循环两周,具体 4)从极限承载能力考虑,无加劲肋端板节点梁翼缘两侧的两 荷载施加是节点屈服前加载三级,每级循环一次,屈服后每级增 行螺栓之间的距离,在保证施工方便的前提下宜尽量的小,而梁 加一个屈服位移,每级循环两次。 腹板两侧的两列螺栓间距不宜过小,否则可能发生脆性破坏。 2.3破坏准则 5)柱端板螺栓连接比梁柱全焊接节点延性好,能量耗散系数 根据模拟验证规律及有关规范可知,当曲线发生下列现象之 大,耗能较好。 一时,试件可被判断为破坏:1)滞回曲线出现下降段,即斜率为负 6)端板厚度对节点的刚度、承载能力和耗能能力的影响是明 时;2)本级循环中的最大荷载小于前一级循环中的最大荷载;3) 显的,文中的端板厚度都不大于螺栓直径和柱翼缘的厚度,在这 一若曲线斜率仍为正,但在相同位移条件下荷载劣化程度达到15% 范围内端板越厚,节点的基本性能越好。 及15%以上时,试件亦可判断为破坏。 7)板加劲肋对薄端板节点的作用是明显的,提高了节点的初 表2试件有限元计算结果 始转动刚度、极限承载力和耗能能力。 试件 R z Mu Mu/ 0“ 0 S 破坏模式 8)腹板加劲肋可提高腹板的抗剪刚度,有效地改善柱腹板和 编号 104 kN・m/rad rad M∞ tad rad rad 柱翼缘的受力性能和耗能能力。 TS01 4.48 268 0.82 0.008 0.057 0 032 14 21 1.60 端板强度破坏 9)端板无加劲肋节点,梁翼缘内侧螺栓先到达屈服状态,随 TS02 5.O2 356 1.09 0.009 0 073 0.037 23 O3 1.67 端板强度破坏 荷载增大,外侧螺栓屈服,按传统的三角形法进行设计,可能偏于 T903 5.35 414 1.27 0 011 0.044 34 11 1 73 未见明显破坏 不安全。端板有加劲肋节点,梁翼缘内外两侧螺栓基本上同时到 TS04 5.22 331 1.02 0.007 0.050 0 028 14.89 1.55 端板强度破坏 T905 5.37 401 1 23 0 008 0 033 23.86 1 67 端板强度破坏 达屈服状态。 T906 4.81 271 0.83 0.008 0.051 0 023 9.11 1.42 端板强度破坏 10)螺栓预拉力大小影响节点初始刚度,但基本上不影响节 T907 5.43 316 0.97 0.007 0.020 9 00 1 35 端板强度破坏 点的极限承载能力。 T908 5.33 322 0.99 0 009 0.036 21 15 1.76 未见明显破坏 11)轴压比增大,将降低节点初始刚度,并在一定程度上削弱 TS09 3.46 266 0.82 0.006 0.064 0 037 16 41 1 62 柱腹板屈服 点的极限承载力,节点在单凋荷载下延性较好,但在循环荷载 TS10 4下延性降低。 .47 256 0 89 0 007 0.059 0 034 15.98 1 75 缘端板和梁翼 、腹板屈服 12)小梁翼缘腹板厚度,将使节点刚度和承载能力降低,但是 TS11 4.41 255 0 82 0.008 0.055 0.031 13 68 1 67 缘端板和粱翼 、腹板屈服 节点延性增加可以提高节点的耗能能力。 TS12 4.97 0 007 0.064 0 034 16 91 1.64 未见明显破坏 13)柱腹板抗剪刚度足够大的情况下,增大其厚度将提高节 TS13 3点初始转动刚度,但是不影响节点极限承载力,且节点耗能能力 .74 314 0 97 0 006 0.070 0.034 21.86 1.84 缘端板、柱翼 、腹板屈服 TS14 5.51 355 1.09 0.009 0 066 0 034 20.15 1.58 端板强度破坏 将降低;减小柱翼缘尺寸会使节点初始转动刚度和承载能力不同 注:试件TS10和TSll梁端全截面塑性弯矩分别为288 kN・1TI,312 kN・1TI,其余 程度的降低,但对耗能系数影响较小。 试件为325 kN・1TI 14)板节点极限承载能力按板塑性铰线理论计算是足够安全 3有限元试件计算结果分析 的,文中根据有限元计算结果提出了比梁翼缘宽度大的端板的塑 各试件的有限元计算结果见表2,主要包括单向加载M一 性铰线破坏形式。 曲线和循环往复加载M一 滞回曲线。以下出现的各符号含义 5抗震对策和设计建议 分别为:M为节点弯矩,M=PL,P为悬臂梁端竖向荷载,L为悬 1)端板厚度不宜过小,应该根据螺栓直径和柱翼缘厚度,综 臂梁长度加上柱子截面高度的1/2; 为节点最大承载弯矩; 合考虑来确定端板厚度。2)端板宜加设端板加劲肋,以节约材料 ^ 为梁全截面塑性弯矩; 为节点转角,其定义为节点梁端离 和改善节点的受力性能。为改善柱腹板受力性能宜加设柱腹板 开柱翼缘1.2倍梁截面高度处某点的竖向位移与1.2倍梁截面 加劲肋。3)控制好螺栓的列距和行距,以满足承载能力和节点延 高度的比值;Ou为单调荷载作用下节点最大转角;0 为循环荷载 性的要求。4)端板节点中 /M曲的大小不宜按全焊接节点那 作用下节点最大转角;S为滞回环包络线面积;Ce为节点的抗震 样取1.2,应该根据不同的情况给予适当的降低。5)充分利用端板 维普资讯 http://www.cqvip.com 第34卷第6期 ・110・ 2 0 0 8年2月 山 西 建 筑 SHANXI ARCHITECrURE VoI_34 No.6 Feb. 2008 文章编号:1009 6825(2008)06—0110—02 腹板开孔式刚性钢框架抗震性能研究 彭 军 李翔宇 郭秉山 摘要:按照有效控制梁上塑性铰位置的思路,在梁腹板上进行开孔削弱的节点形式,通过开孔位置和大小的设计进行 了三维有限元模拟分析,结果表明,采用腹板开孔的形式能大大缓解节点的应力状态,改善了节点的延性性能。 关键词:钢框架,梁柱节点,腹板削弱,延性 中图分类号:TU352 文献标识码:A 表1腹板削弱节点参数 试件描述 孔心距柱翼缘的距离/s・H1 开孔直径D/m 无孔 引言 由于钢结构框架具有良好的抗震性能,在多高层建筑中得到 了广泛应用。美国在Northridge地震之后研究提出了改进节点 标准试件 CF_1 腹板上开孔的削弱节点 CF_2 CF_3 CF_4 CF_5 200 100 200 150 400 100 400 200 延性的措施,主要方法包括:通过加腋和加盖板提高节点的承载 力;改进节点区焊接孔构造形式;对梁截面局部削弱,使塑性铰从 节点区外移至梁上。梁端与柱刚性连接的抗弯能力小于梁截面 表2梁柱截面尺寸及相关参数 构件 梁 柱 翼缘宽度 翼缘厚度 腹板高度 腹板厚度 截面面积 惯性矩 104nm14 150 250 的抗弯能力,采用削弱梁截面的方式来降低梁截面的抗弯能力, 相对而言,等于提高了连接的抗弯能力,使相互之间的强弱关系发 生了相反的转化,保证了框架梁在水平地震作用下,不会先在连接 处破坏,使节点具有很好的延性。 10 12 350 250 6 8 4 980 7 808 10 467 9 266 1.2有限元模型及求解控制 试件的实体部分网格划分时选用Solid45,Solid92单元,较好 地平衡了计算精度和机时的要求。根据试验的材料特性,ANSYS 选用多线性随动强化(MKIN)模型,材料为各向同性,采用Von 1 有限元模型和循环加载的计算结果 1.1节点试件设计 文中对5个T型试件,即标准型节点(CF-1)和4种不同的在 Miss屈服准则及相应的塑性流动法则来指明当等效应力超过材 e腹板上开孔削弱型节点进行有限元分析。按照JGJ 99—98高层民 料的屈服应力时,将发生塑性变形以及塑性应变的方向。 用建筑钢结构技术规程和GBfF 11263—1998热轧H型钢和部分 文中将沿框架柱的长度、高度、宽度方向分别定义为x,y,z T型钢选定梁柱截面和构造细部 j。考虑在水平和竖向荷载组 方向。加载时将柱的下端加上沿x,y,z三个方向固定约束,上 合作用下,框架梁的反弯点一般在1/6~1/2梁跨之间,悬臂梁端 端加上沿z方向的约束,并同时在上端施加轴压力,对柱加劲肋 至柱中心间距取2.4 m,是常用跨度7.2 m的1/3;柱净长取3 m。 高度的梁端节点进行y(垂直)方向位移耦合,程序将产生一个主 梁柱之间的连接方式采用焊接,梁柱所用钢材为Q235钢,焊缝采 节点,外力以位移的方式施加于耦合梁端的主节点上。主节点上 用FA3型。根据试验资料,Q235钢取 =235 N/nlm2,e ,= 可以施加单调和循环位移荷载,先计算钢框架在单向加载时的行 0.001 14,O"u=420 N/mm2,e =015, .=330 N/mm2,e = 为,根据单向荷载作用下的荷载位移曲线计算梁端屈服位移△ 屈服位移△。,采用“通用屈服弯矩法”确定)和屈服荷载只,;循环 0.22;焊缝取 =330 N/nml2,e =0.001 6, =470 N/nm12,e = (0.12,O"s :420 N/nlm ,e =0.17。弹性模量210 GPa,泊松比 荷载时梁端位移按以下方式施加:循环位移荷载以模拟地震荷 0.3_6 J。具体参数见表1,表2。 和梁端截面的综合塑性变形以耗散较大的地震能量。6)无端板 载,加载制度参照《建筑抗震试验方法规程》的要求,每级按屈服位 角关系[J].土木工程学报,2002(5):24—27. [D].杭州:浙江大学,2002. 加劲肋的节点,螺栓宜按欧洲规范提出的塑性设计法设计;有端 [2]顾正维.钢结构半刚性连接的非线性分析(博士学位论文) 板加劲肋的节点,螺栓宜按美国规范的T型法设计。 参考文献: [3]纪福宏,郭惠琴.抗震框架顶层端节点的构造措JJCg[J].山西建 锋,顾 强.梁柱端板连接的破坏模式及弯矩转 筑,2005,31(10):31—32. [1]郭兵,柳Analysis on steel beam-column extended endplate/nt connections under seismic loading CHEN Wen-zhong CHEN Xiao-dong WAN Xin Abstract:Through finite—element analysis on nineteen beam—olcumn joint specimens.The parameters include end—plate stiffener,end-plate s1‘ze, column web stiffener.Analyze the initial rotational stiffener,ultimate carrying capacity,ductility and emery dissipationStudy the seismic be— .havior of bolt endplate connection and provide theory basis for steel structure seismic designKey words:endplate connectidns,seismic performance,finite element . 收稿日期:2007 10 28 作者简介:彭军(1982一),女,硕士,助教,榆林学院物理系,陕西榆林719000 719000 李翔宇(1985 ),男,助理工程师,榆林市城乡规划设计院,陕西榆林郭秉山(1955 ),男,博士,教授,西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西西安710054 

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