高強度鋼材鋼框架梁柱節(jié)點抗震性能試驗研究.pdf

1、與普通強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)相比，高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)同樣具有材質(zhì)均勻、剛度大、塑性和韌性好、易于連接等優(yōu)點。鋼結(jié)構(gòu)中采用高強度鋼材能夠減小構(gòu)件的截面尺寸，從而減輕結(jié)構(gòu)自重，降低地震作用，相應焊縫尺寸的減小也能改善鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能，因此世界各國的建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)中也逐漸開始采用高強度鋼材。由于高強度鋼材的屈強比變大、延性降低，結(jié)構(gòu)的抗震性能必然呈現(xiàn)新的特征。本文即從高強鋼材料、焊接接頭及梁柱節(jié)點這三方面進行抗震性能研究，以期為抗震設防區(qū)高強度鋼材

2、鋼結(jié)構(gòu)的工程設計提供依據(jù)。
　　在理論分析方面，深入理解了各國規(guī)范有關節(jié)點域抗剪承載力驗算以及節(jié)點域?qū)捄癖认拗档囊?guī)定，基于四角彈簧計算模型對美國規(guī)范關于節(jié)點域極限剪切承載力的計算公式作了具體推導，以便后續(xù)節(jié)點試驗研究對其進行具體驗證。
　　在材料性能方面，首先對國產(chǎn)高強度鋼材Q690GJ及其焊縫接頭在單調(diào)加載下的力學性能進行試驗研究，結(jié)果表明母材及焊縫連接在單調(diào)加載下的應力-應變曲線均沒有明顯的屈服平臺，單調(diào)壓縮時的強度大于

3、單調(diào)拉伸;焊縫連接的拉壓名義屈服強度遠低于母材，但抗拉強度僅略低于母材，且焊縫連接的極限拉應變較母材大得多，從材料層面可以表征焊縫接頭的延性較為良好。其次，對Q690GJ及焊縫連接在循環(huán)荷載下的力學性能進行試驗研究，結(jié)果表明兩者均發(fā)生了包辛格效應，在各種循環(huán)加載制度下的滯回性能良好，但與單調(diào)加載相比延性變差;母材由于循環(huán)硬化作用鋼材強度提高不明顯，應變幅增加至1.75％后，骨架曲線應力即發(fā)生明顯下降，而焊縫連接的應力值由于硬化作用有較大

4、提高，較高應變幅下才出現(xiàn)循環(huán)軟化。
　　在構(gòu)件層面，本文設計了兩組高強度鋼材梁柱節(jié)點，對其進行低周反復荷載下的試驗研究以揭示不同節(jié)點的屈服機制及破壞模式，對邊節(jié)點試件主要探討了鋼材強度及翼緣加強板對其抗震性能的影響，對中節(jié)點試件則著重分析了節(jié)點域貼焊補強板及斜向加勁肋對其抗震性能的影響。從試驗結(jié)果可知:由于焊縫的力學性能與母材不匹配，邊節(jié)點普通栓焊試件下翼緣焊縫斷裂較早，試驗所得滯回曲線不夠飽滿，而翼緣板加強型節(jié)點塑性鉸轉(zhuǎn)移至加強

5、板末端，避免了梁端焊縫的脆性斷裂，屈服荷載、極限荷載有較大提高，滯回性能相對良好;中節(jié)點梁端加厚-翼緣削弱試件的滯回曲線均呈飽滿的梭形，普通試件的破壞形式為節(jié)點域出現(xiàn)剪切塑性鉸，節(jié)點域加強試件則為梁截面削弱最深處出現(xiàn)彎曲塑性鉸，且從節(jié)點承載力來看，貼焊補強板和斜加勁肋進行加強的效果相當。
　　在試驗研究的基礎上，本文采用ANSYS軟件對所有節(jié)點試件進行了低周反復荷載下的有限元分析。根據(jù)有限元所得von Mises應力云圖能夠較好地

6、跟蹤梁柱節(jié)點在不同破壞模式下塑性鉸的形成全過程，所得梁端荷載-位移滯回曲線、骨架曲線也與試驗結(jié)果吻合良好。邊節(jié)點的有限元滯回曲線表明，隨著位移幅值的增加，試件鋼材強度越高越早出現(xiàn)剛度軟化;中節(jié)點的彎矩-轉(zhuǎn)角有限元滯回曲線表明，節(jié)點域經(jīng)加強后極限轉(zhuǎn)角值僅為0.01～0.015rad，極限轉(zhuǎn)動能力下降較多。
　　從節(jié)點的抗震性能看，節(jié)點的剛度退化基本與鋼材強度無關，且對比中節(jié)點試件節(jié)點域彈性剛度的理論值與有限元分析值，并推算節(jié)點域的等

7、效厚度可得節(jié)點域貼焊的補強板參與工作的程度為54％，而斜向加勁肋參與工作的程度為38％;所有節(jié)點試件根據(jù)試驗研究與有限元分析所得位移延性系數(shù)均小于3，等效粘滯阻尼系數(shù)均小于0.4，與普通鋼節(jié)點相比，高強鋼節(jié)點的極限變形能力及耗能能力明顯下降;進一步對比有限元所得各節(jié)點的耗能指標可知，鋼材強度對節(jié)點的耗能能力影響較小，中節(jié)點試件節(jié)點域經(jīng)加強后耗能能力急劇降低，主要耗能位置發(fā)生轉(zhuǎn)移。
　　經(jīng)理論計算與試驗結(jié)果對比分析，我國《建筑抗震設