方钢管混凝土柱-外环板式组合梁节点抗连续性倒塌性能分析

以中柱失效工况下的方钢管混凝土柱-外环板式组合梁节点为研究对象,采用ABAQUS分析其抗连续性倒塌全过程工作机理,计算荷载-位移曲线、节点破坏形态等,分析了楼板在组合节点连续性倒塌过程中的作用,并对影响组合节点抗连续性倒塌性能关键参数进行分析。结果表明:该类组合节点倒塌大致分为弹性阶段、弹塑性阶段、拱效应阶段、塑性阶段、混合机制阶段、悬链线效应阶段。楼板的拱效应可提升节点初期承载力,同时钢筋的拉结作用可以增强节点悬链线效应,但拉结作用的发挥与抗剪连接件有关,因此在设计施工中应重视楼板与钢梁连接的设计,确保其连接可靠,并更好地利用楼板的拱效应与悬链线效应。通过参数分析可知,增加钢梁强度与钢梁翼缘、腹板的厚度可以显著提高组合节点抗连续性倒塌性能。楼板混凝土强度的增加仅提高节点倒塌初期的承载力。     

火灾下钢管混凝土柱与钢梁外伸端板连接的力学性能

为了研究钢管混凝土框架梁柱半刚性连接的抗火性能,利用ABAQUS软件进行了火灾作用下钢管混凝土柱与钢梁外伸端板连接节点的热力耦合性能的数值模拟。确定了高温下钢材和核心混凝土的材料本构关系模型,建立了考虑楼板影响的钢管混凝土框架外伸端板连接节点的有限元计算模型,对三面受火和外荷载共同作用下节点的受力全过程进行了分析。详细分析了荷载比、螺栓预紧力、防火保护层厚度、材料特性、构件几何尺寸等参数对节点耐火极限的影响。结果表明,荷载比、螺栓预紧力、防火保护层厚度和钢梁截面高度对组合节点耐火极限的影响较显著。该研究结果将为火灾下半刚性钢管混凝土框架的设计理论提供科学依据。     

受火钢框架的落锤冲击响应数值模拟

运用有限元程序ABAQUS进行数值模拟,研究不同温度下受撞击载荷钢框架结构的动力响应和梁柱连接性能,重点考察了三种梁-柱连接形式:即全焊接连接、平齐式端板连接、外伸式端板连接等对钢框架抗冲击性能的影响。对于受火和自重作用的钢框架,比较了梁的跨中挠度和梁柱交点处沿梁方向的位移,以及结构在不同环境温度下的温度场;进而采用温度加载和落锤冲击共同作用,得出结构的梁柱节点破坏模式和钢梁的临界屈曲温度,以及落锤撞击过程中跨中挠度和撞击力的发展。模拟结果表明,外伸式连接框架高温作用下的抗落锤冲击性能最好。     

支撑布置对火灾下钢框架结构抗连续性倒塌性能影响研究

研究了支撑布置对火灾下钢框架结构抗连续性倒塌性能的影响。考虑水平和竖向两种支撑布置形式,前者沿水平向布置在结构顶部,后者布置在结构各楼层,分别考虑其布置在结构边缘或者内部的情况。应用OpenSees软件对某7跨8层平面钢框架结构模型进行了数值分析。结果表明,火灾下结构倒塌始于受火柱的屈曲,该局部破坏向周边传播,导致整体结构下沉式倒塌或侧向倾覆式倒塌。竖向支撑可有效抑制结构的侧向倒塌,但容易导致底层柱的依次屈曲,不建议单独使用;通过将竖向支撑布置在结构内部,可有效阻止破坏向周边结构传播;水平支撑通过平均分配各柱轴压力,有效抑制周边柱的压曲,但容易造成结构局部或是整体侧向倒塌;同时应用两种支撑可有效提高结构抗倒塌性能。     

钢管混凝土板柱节点受力性能——基于抗倒塌理论的研究

为改善钢管混凝土板柱节点的受力性能,以抗倒塌理论为基础,设计了一种钢管混凝土柱贯通楼板、混凝土板简支在柱外侧钢托板上的铰支撑钢管混凝土板柱节点,并对此类节点的抗冲切性能进行了试验研究.     

火灾下工程结构连续性倒塌分析与设计方法探讨

给出了火灾下工程结构连续性倒塌的定义,分析了工程结构在火灾作用下的特点,并给出了火灾连续性倒塌判断流程。在介绍目前常用的工程结构抗连续性倒塌分析设计方法的基础上,提出了采用替代路径法中的非线性静力分析方法对建筑结构进行火灾作用下抗连续性倒塌设计的思路。     

卷边PEC柱-钢梁(BRS)端板连接组合框架中间层抗倒塌机理数值模拟

为研究卷边PEC柱-钢梁组合框架中间层抗倒塌机理,以采用端板预拉对穿螺栓连接的新型卷边钢板组合截面PEC柱(弱轴)-钢梁(BRS)组合框架中间层子结构试验试件作为研究对象,利用有限元软件ABAQUS对其进行水平低周往复荷载下倒塌机理的数值模拟。基于计算数据,对比分析试件承载力、抗侧刚度、连接性能、耗能能力、剪力分配、变形模式、节点传力机理和破坏机构等抗震性能。结果显示:试件具有较大的承载能力和初始抗侧刚度;卷边PEC框架柱平均分担层间水平剪力,层间变形表现为剪切型变形模式;预拉对穿螺栓实现了部分自复位功效,而梁截面削弱满足了连接的转动能力和结构耗散地震能的需求;试件最终破坏模式为梁端削弱截面处出现塑性铰而使结构形成塑性机构,相应连接转角和试件中间层层间剪切角均超过中震层间侧移限值1/50,表明该结构体系具有良好抗震延性和抗倒塌性能。     

大跨度单层球面网壳抗连续倒塌性能影响因素分析*

为分析大跨度单层球面网壳抗连续倒塌性能的影响因素,通过 Keiwitt?6(K6)型球面网壳缩尺模型的连续倒塌试验,验证有限元模型的正确性。在此基础上,分析了传力路径和初始缺陷对大跨度单层球面网壳抗连续倒塌性能的影响。研究结果表明,两个传力路径依次失效后,网壳主要通过压杆机制抵抗连续倒塌,其破坏模式为局部倒塌。有限元分析结果与试验结果吻合较好。传力路径与初始缺陷对网壳抗连续倒塌性能影响显著：传力路径依次失效时,结构的抗连续倒塌性能可以得到充分发挥,传力路径同时失效时,结构的动力响应明显增大;随着初始几何缺陷大小的增加,网壳的抗连续倒塌性能降低;当初始缺陷大小相同时,结构并非均是在第 1 阶屈曲模态下率先发生连续倒塌。建议考虑传力路径的影响,取前 10 阶屈曲模态进行网壳的连续倒塌分析。     

钢框架带悬臂梁拼接节点的抗水平地表变形试验研究

以单层单跨带悬臂梁段拼接钢框架为研究对象,通过地表变形的物理相似模拟试验,研究了钢框架带悬臂梁段拼接节点在地表水平变形作用下的附加应力和变形规律。主要研究在水平拉伸和水平压缩作用下,拼接节点处腹板拼接板和上下翼缘拼接板内产生的附加内力及变形曲线,分析了上下翼缘拼接板和腹板拼接板中间位置点的变形值随着试验加载值的增加而变化的原因。研究结果表明:地表水平拉伸作用最为不利;拼接节点虽会产生附加变形,但在很大程度上仍处于弹性阶段,卸栽后可以恢复,表现出良好的抗变形性能。最后给出建议:在地表变形地区新建或加固改造钢结构建构筑物时,采用钢框架带悬臂梁段高强螺栓拼接连接,可以很好地吸收变形能。     

预应力耐火钢⁃混凝土连续组合梁抗火性能研究∗

采用有限元软件对耐火钢预应力连续组合梁在高温下的抗弯性能进行参数研究，引入了材料非线性、几何非线性以及钢梁初始几何缺陷，考察了预应力组合梁在高温下的破坏形态，耐火极限，跨中挠度随温度及时间变化的曲线，分别得到了不同受火工况与耐火钢使用截面位置对组合梁高温下抗弯性能的影响规律。结果表明：不同受火工况对普通组合梁和耐火钢组合梁的抗火性能有较大影响，组合梁在双侧受火工况下其挠度下降的幅度明显大于单侧受火工况下挠度下降的幅度，耐火时间也明显减短；在同一受火工况下，其他部分使用普通钢条件下，钢梁下翼缘使用耐火钢比腹板使用耐火钢更能有效提高组合梁在高温下的抗弯能力和耐火极限；当组合梁中钢梁下翼缘与腹板同时使用耐火钢时能显著提高组合梁的抗火性能，并达到与钢梁全截面使用耐火钢时同样的效果；仅在钢梁跨中区段内下翼缘和腹板上使用耐火钢时，耐火钢布置区段越长，则组合梁跨中挠度下降幅度越小，临界温度也越高。     

钢框架侧板加强型梁柱节点滞回性能研究

提出一种改进型侧板加强型梁柱节点,加强板由矩形柱侧板和直角梯形梁侧板组成,以现有的梁端翼缘侧板加强型节点试验为基础,运用有限元软件ABAQUS对11个不同细部尺寸的改进型侧板加强型节点进行循环加载作用下的模拟分析。研究结果表明,采用上下两块小矩形柱侧板加强的节点模型在循环加载作用下并未出现加强板末端梁截面的屈曲变形,但该截面的应力集中有所减小,塑性变形仍集中在节点域柱腹板上;将上下两块小矩形柱侧板更换为一整块柱侧板后,其承载能力大幅提高,且塑性变形集中在梁侧板加强末端的梁翼缘和腹板上,而节点域处于弹性工作状态,说明该种节点形式可以更好地满足"强节点弱构件"的抗震设计思想;建议柱侧板两端各伸出柱翼缘表面50mm,柱侧板的高度与钢梁截面高度相同,柱侧板厚度取6mm,梁侧板宽度边缘与柱翼缘边缘平齐,端部三角形部分长宽比可取为1∶2~1∶3,梁侧板矩形部分长度可与三角形部分长度相同,或稍大于三角形部分长度。     

钢板组合PEC柱-削弱截面钢梁组合框架抗震试验研究

为深入研究PEC柱-钢梁组合框架结构体系的抗震性能,设计了1榀两层单跨钢板组合截面PEC柱-削弱截面钢梁组合框架1∶2缩尺试件,并对其进行了低周往复荷载抗震试验。根据实测数据整理,得到了试验滞回特征曲线,并结合试验过程现象记录,分析了试件滞回特性、抗侧刚度退化规律、节点连接性能、耗能与延性和试件破坏模式等力学性能。研究结果表明:试件结构具有较高的承载力和较大的抗侧刚度;采取梁端截面削弱方式可实现梁端塑性铰位置远离节点区,且端板对穿螺栓连接能有效将梁端受拉翼缘拉力转化为对应边对节点区的压力,使得节点区形成了混凝土斜压带传力模式,提高了节点区抗震性能;试件滞回曲线较为饱满,在梁翼缘与端板连接焊缝存在施工缺陷情况下,其整体侧移、延性系数和等效黏滞阻尼比分别达到3.50%(推)/4.50%(拉)、2.92(推)/3.21(拉)和0.306,且承载力仍未下降至其极限承载力的85%,即试件结构具有良好的变形、抗震延性与耗能能力;该试件在循环往复荷载下呈现的破坏模式为梁削弱截面部位和PEC柱脚相继形成塑性铰的塑性机构。     

一种新型结构与保温一体化复合墙板节点试验∗

为解决复合墙板节点常见的保温板易燃、易脱落等棘手问题,并使其抗震性能良好。给出了一种新型的结构与保温一体化陶粒混凝土T 型复合墙板节点。该复合墙板节点具有夹芯独特构造优势,主要表现在绿色节能,轻质高强,力学性能好,保温系统连接可靠,还能杜绝火灾的发生。通过对T 型复合墙板节点进行抗震试验,分别研究了其滞回性能、破坏机理、承载及变形能力、延性、耗能、损伤等。结果表明：一体化复合墙板节点的破坏顺序为腹板-翼缘-节点核心区;薄弱位置主要发生在腹板脚部,混凝土被拉裂或压碎,钢筋被拉长或压弯等;节点核心区受力相对良好,安全储备充足;符合“强节点,弱构件”设计要求和墙板革新发展政策。延性系数大于3,墙板节点安全性能良好。通过损伤指标评估分析,了解了试件各阶段工作状态。     

单边螺栓T型节点火灾高温下抗拉性能

通过有限元方法研究了单边螺栓T型节点在火灾高温下的拉伸性能。用常温下节点拉伸试验对有限元模型进行了验证,结果表明该有限元模型可准确模拟单边螺栓T型节点的拉伸性能。采用恒温加载的方式,研究了T型构件翼缘板厚度和火灾高温对节点抗拉性能的影响。T型翼缘板厚度分别取6、18、27mm,温度分别取常温至800℃共8种不同温度,并且通过改变材性考虑不同温度对钢材强度和刚度的折减。将不同T型翼缘板厚度和温度下节点的破坏模式、抗拉强度及刚度进行比较,得出了翼缘厚度和温度对其抗拉性能的影响,进而得出该单边螺栓T型节点在火灾作用下的拉伸性能。研究结果表明,该单边螺栓连接方式,在火灾下可以提供足够的锚固力,适用于闭合截面钢构件,如钢梁和钢管柱之间的连接。     

装配式RCS框架-屈曲约束支撑组合结构抗震性能研究

将屈曲约束支撑应用于装配式钢筋混凝土柱-钢梁组合框架结构(简称装配式RCS组合框架结构)中,若处理不当将会产生开合效应并导致相邻梁柱破坏。为有效减轻框架开合效应造成的破坏,提出基于梁端铰接的装配式RCS框架-屈曲约束支撑组合结构。在保证关键连接节点力学性能的前提下,设计某9层装配式RCS框架-屈曲约束支撑组合结构,采用基于OpenSees软件的动力弹塑性时程分析方法研究结构的抗震性能。结果表明,钢梁腹板开洞的装配式RCS节点、装配式混凝土柱-钢梁-屈曲约束支撑组合节点具有高承载、可装配和震后损伤小等特点,装配式RCS框架-屈曲约束支撑组合结构满足抗震规范要求,具有优良的抗震性能;梁-梁间的铰接连接不会影响屈曲约束支撑的耗能效果,且可以改变梁柱屈服机制,保证整体结构高效装配的同时减轻结构塑性损伤,有助于实现结构的功能可恢复。     

低延性支撑钢框架结构抗倒塌性能简化评估方法∗

为量化不同设计参数条件下低延性中心支撑框架结构的抗倒塌能力,基于增量动力分析方法,计算了单自由度中心支撑钢框架结构在不同地震强度作用下的反应,分析了储备承载力、储备刚度、结构周期、强度折减系数等设计参数对低延性结构抗倒塌性能的影响。根据计算结果,建立了不同参数条件下低延性中心支撑钢框架结构的倒塌富裕度计算公式,提出了基于该公式的结构抗倒塌性能简化评估方法,通过算例验证了该方法的适用性与准确性,为此类结构抗倒塌设计提供参考。     

通过改进节点性能确保火灾下钢框架结构的鲁棒性(英文)

介绍了钢框架结构火灾下鲁棒性的背景知识,建议对于非常重要的建筑结构,抗火安全设计必须包括通常设计中尚未考虑到的意外破坏模式。文章辨识了结构意外破坏的不同模式,并提出了保证结构安全性的可行方法。本文主要介绍了如何利用梁的悬链线效应,使荷栽从受损结构重新分配到相邻结构,该效应是梁受弯承载力状态的一种转变。为确保钢梁中悬链线效应的充分发展,最重要的是要保证节点具有足够的抗拉承栽力与转动能力。本文提出了一种节点转动能力需求的量纲分析方法,并根据一些试验结果,介绍了英国常用的梁柱节点可到达的转动能力。虽然一些延性较好的节点在升温时能够达到10°的转动能力,但当钢的温度非常高时,其仍不能满足使悬链线效应充分形成时所需要的转动能力(>15°)。随后,讨论了如何提高节点的转动能力,包括:采用具有较好延性的节点(例如开反向槽口的节点),改进节点的细部构造(如将节点的受拉区移近至受压区,并为螺栓开槽型孔)和采用更强的、延性更好的由耐火钢制成的螺栓。这些提出的节点技术需要与节点在其他设计要求下的性能要求相协调(如刚度),为满足不同的结构性能要求,找到最优的节点设计方法,仍需要更深入的研究。     

基于Pushdown方法的圆钢管混凝土柱-钢梁框架抗连续倒塌机制分析

为研究结构在关键构件失效后的抗连续倒塌机制,基于ABAQUS纤维梁-柱单元建立了钢管混凝土柱-钢梁框架的有限元模型,钢材及核心混凝土材性分别调用课题组基于ABAQUS软件开发的材料本构子程序i Fiber LUT中的i Steel05和i Concrete01。采用Pushdown分析方法,对长边中柱失效、短边中柱失效、内部柱失效和角柱失效等4种典型工况下的连续倒塌进行了分析,研究典型柱失效后剩余结构的抗连续倒塌机制。研究结果表明:纤维梁-柱单元模型可以精准地分析空间框架连续倒塌性能。4种柱工况下结构的抗连续倒塌能力由大到小为:短边中柱失效、内部柱失效、长边中柱失效、和角柱失效。     

高温下钢及组合钢节点有限元建模及基于构件的分析方法(英文)

欧洲规范EC3 Part 1-1第5章[1]允许工程师使用一些先进的有限元分析软件来分析和设计钢结构,如线弹性、刚塑性以及二阶弹塑性整体分析。这3种极不相同的分析方法,能够用于简支、半连续以及连续节点模型中[2]。节点模型根据刚度的不同,可分为铰接、半刚性和刚性模型;按照强度的不同,可分为铰接、部分强度和全强度模型。尽管大多数的工程问题仅仅要求进行线弹性分析,但仍有一些特殊结构可能要求采用高级分析以降低施工成本,例如底层无支撑钢框架结构。在这种结构中,采用半连续节点(具有半刚度和部分强度特性)进行框架分析,会显著增强结构抵抗名义水平荷载、风荷载、整体缺陷、地震作用时的抗侧刚度和强度,因此在控制的水平荷载下计算的横向侧移可能在EC3允许的范围内。在基于性能的抗火设计中,结构抗火工程师可能想利用钢节点潜在的刚度和强度,尤其是有端板节点的钢结构,这是一种最常见的钢结构施工形式。端板可以是部分深度的,或者是延伸端板,涵盖了名义铰接、半刚性和完全刚性节点模型。本文给出了端板节点高温性能研究的一系列数值分析结果;应用基于构件的方法,建立了这些节点在高温下的力学反应计算公式,以及梁腹板剪应力分量、连接处的拉应力和压应力区域的力学模型。基于构件的方法能够考虑钢节点的热约束效应。对已有钢端板节点试验进行了有限元模拟和基于构件的分析表明,2种方法的分析结果与试验结果的偏差都是可接受的,包括热约束效应。     

约束组合梁抗火性能试验研究

通过利用约束框架对组合梁施加约束，研究了处于结构整体中的组合梁的抗火性能及其在火灾中破坏的过程和特点。试验用了两个足尺试件，分别为简支梁和连续梁。采用一种间接的方法得到了抗火试验中难以测得的组合梁的轴力及弯矩等参数。试验表明：（1）悬链线效应有助于提高组合梁的抗火性能；（2）常温下满足宽厚比要求的钢梁的下翼缘，在火灾下仍会发生屈曲；（3）组合梁的节点设计中应进行轴向承载能力验算；（4）组合梁在火灾中的破坏过程可划分为升温膨胀阶段、跳跃阶段和悬链线阶段。