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内蒙古双肢冷弯薄壁C型钢框架抗震性能研究:

2019-12-05

内蒙古C型钢在发展可持续绿色建筑和国家住宅产业化的大环境下,冷弯薄壁型钢结构已经应用到众多结构中。双肢冷弯薄壁C型钢内夹钢板是一种可以提高构件承载能力的组合截面,但《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》(JGJ227-2011)并没有对这种截面进行相关规定。虽然已有学者对这种截面形式的节点进行了研究,但框架的抗震性能研究还很少。 本文进行了五榀双肢冷弯薄壁C型钢框架的拟静力试验,分析了框架的受力性能和破坏形态,得到了框架的滞回曲线、骨架曲线、应变随水平荷载的变化曲线和塑性铰出铰顺序,研究了框架的垫板厚度和梁柱线刚度比等参数对框架的滞回性能、承载力和刚度及其退化、延性和耗能性能等抗震性能指标的影响。呼和浩特CZ型钢运用ANSYS软件对拟静力试验框架进行了有限元往复循环加载计算,得出框架的滞回曲线和破坏形态与试验框架进行对比,验证了应用有限元方法分析双肢冷弯薄壁C型钢框架抗震性能的可靠性。 选取C型钢厚度、C型钢翼缘宽厚比、柱C型钢腹板高厚比和梁C型钢腹板高厚比等参数,计算了九榀框架模型,得到了冷弯薄壁C型钢、垫板和高强螺栓在各受力阶段的应力云图,分析了模型受力性能和破坏形态;得到了模型的滞回曲线和骨架曲线,研究了各参数对框架的滞回性能、承载力和刚度及其退化规律、延性和耗能性能的影响。 通过试验研究及有限元分析,发现该类框架结构抗震性能较好,破坏形态符合抗震设计要求,塑性铰出铰顺序为加载远端梁端→加载远端柱脚→加载近端柱脚→加载近端梁端,承载力和刚度退化稳定,内蒙古C型钢位移延性系数在2.47~5.16之间,等效粘性阻尼系数在0.16~0.45之间,增加C型钢厚度和降低梁柱线刚度比可以改善框架抗震性能。建议在框架设计时,梁柱线刚度比取0.481以上,采用8.8级M20摩擦型高强螺栓,垫板厚度与C型钢尺寸进行匹配计算,保证强节点弱构件设计即可。近年来冷弯薄壁型钢以其优越的性能受到了国内外工程界的普遍关注,目前正在被越来越广泛地应用到建筑领域。本文利用大型通用有限元软件ANSYS对冷弯薄壁型钢梁柱节点的受力性能进行有限元模拟,采用的节点形式为:梁、柱由冷弯薄壁C型钢以背靠背的形式组合而成,双肢C型钢之间每隔一段距离用热轧钢板内插连接,内插的热轧钢板与双肢C型钢用摩擦型高强螺栓连接,节点区热轧钢板与梁、柱的连接选用八颗螺栓。 本文用ANSYS建立了一个考虑接触的双拼冷弯薄壁C型钢梁柱节点模型,并与试验结果进行对比,验证了有限元模型的正确性。然后用此种建模方法建立了72个考虑C型钢厚度、截面尺寸、节点板厚度和螺栓间距的双拼冷弯薄壁C型钢梁柱节点模型,进行单调加载,对节点的破坏模式、应力变化、初始刚度和极限弯矩进行了分析。研究表明:破坏模式有两种,分别为螺栓孔附近板的承压破坏和C型钢梁弯曲破坏;极限弯矩随着螺栓间距、节点板厚度和C型钢厚度的增加而增加,其中C型钢厚度对极限弯矩的影响大,节点板厚对极限弯矩的影响最小;初始刚度随着螺栓间距、节点板厚度和C型钢厚度的增加而增加,内蒙古C型钢三者对初始刚度均有较大影响。最后给出节点设计建议如下:针对所研究的C型钢尺寸,建议节点板厚度取8mm~10mm,螺栓间距取200mm~220mm。 基于对冷弯薄壁C型钢梁柱节点的分析,建立了两种弯矩—转角模型,分别为幂函数模型和线性模型。其中幂函数模型较精,但是形式复杂;线性模型较简单,结果偏于安全,但是模型精度有待提高。 对部分节点进行循环加载,分析了节点的滞回性能。研究表明:此类节点的延性一般,耗能性能良好;随位移控制加载级别的逐级增加,刚度退化明显;节点加腋对耗能性能有一定影响,对大承载力影响不大。

针对双肢冷弯C型钢背靠背加垫板的截面形式,选取常用的屋檐斜节点作为研究对象,呼和浩特彩板钢构采用试验与有限元相结合的方法分析了15个斜节点试件,发现该类节点具有良好的抗震性能和较高的极限承载能力,得到了节点板厚度、螺栓间距、C型钢厚度和腹板高度等因素对斜节点抗震性能的影响情况。斜节点可能发生梁C型钢弯曲屈曲和节点板弯扭屈曲两种破坏形态,而节点板厚度是影响斜节点破坏形态的主要因素。随着C型钢厚度及高度、螺栓间距的增大,斜节点极限弯矩承载力和初始刚度增大,C型钢高度影响程度大。建议设计时节点板厚度的取值不小于6mm,螺栓间距在11d0~13d0。最后,分析了16个斜节点正交试件,内蒙古C型钢通过数值分析得到了斜节点半刚性特征值与节点参数之间的设计表达式,可供设计时参考。

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