外加强环式异型钢结构节点域抗震性能和优化设计

建筑空间使用功能的不同会引起钢框架梁长的变化，为了节约材料和减轻结构重量，梁的截面尺寸会因为梁长变化而不同。因此，钢框架结构中，除了标准形式的节点域外，还存在柱子两侧梁高不同的异型节点域形式，以往研究成果表明：节点域的剪切变形会增加钢框架结构的水平位移，特别是在罕遇地震下，节点域的剪切变形通常不可忽视。但是由于缺少对异型节点域的实验和理论研究，异型节点域的力学性能还不明确。本课题在总结和分析国内外相近研究的基础上，对钢管柱-H型钢梁外加强环式异型节点域进行了实验研究和有限元分析：1）确定节点域抗剪有效体积及节点域抗剪应力与钢材屈服应力之间的关系；2）结合实验研究成果，并参考规范中现有的标准形式节点域承载力和刚度公式，利用理论计算的方法得到不同的塑性铰形成机制下异型节点域的承载力，刚度评价公式；3）通过对3维空间异型节点域有限元分析，获得垂直方向梁对异型节点域力学性能的影响情况。

按照原申请书的研究计划完成了相关研究内容。通过对左右梁位置偏移和左右梁高不同的外加强环式钢框架异型节点的试验研究和有限元分析，探明了圆钢管柱异型节点和方钢管柱异型节点主要破坏模态，考察了外加强环板设置情况对节点域力学性能的影响情况，并对各试件的刚度退化、承载能力、耗能性能和延性性能等抗震性能进行讨论。研究分析结果表明异型节点域的破坏模态与普通节点域的破坏模态略有不同，主要表现在：对于方钢管柱普通节点域的破坏模态为节点域的局部失稳和外加强环板与柱壁角部连接焊缝的开裂；而方钢管柱异型节点的破坏模态为节点域处在剪力作用下出现了明显的剪切变形、形成剪力带，同时出现外环板的局部失稳，最终由于变形过大引起了柱壁连接焊缝的开裂导致外加强环板的断裂破坏。对于圆钢管柱普通节点，由于梁翼缘与外加强环板的连接焊缝焊接缺陷的存在，节点域的破坏模态表现为梁翼缘与外加强环板连接焊缝的开裂；对于圆钢管柱异型节点域的破坏模态主要表现为：节点域处的剪切鼓曲变形、靠近柱壁处外环板的局部失稳、以及由于节点域处剪切变形过大，导致核心节点域处柱壁焊缝的开裂；从对异型节点域抗震性能方面的研究成果可以看出异型节点的荷载-位移滞回曲线形状饱满，与普通节点相比同样具有较好的耗能能力。通过对比试验和有限元分析结果可知，有限元分析方法可以很好的模拟试验研究中获得的承载力和变形等方面的弹塑性力学性能，为了给出平面外加强环式异型节点的承载力评价公式并讨论垂直方向梁对异型节点力学性能的影响情况，利用有限元分析的方法，通过考察不同节点域参数条件下的节点域承载力，在现有的左右梁高相同的节点域承载力评价公式的基础上，通过引入参数φ给出了异型节点域的承载力评价公式，并讨论了存在垂直方向上梁的空间异型节点的承载力评价公式。