钢结构梁柱节点抗火性能研究进展与展望∗

钢结构不耐火,在一定程度上制约了钢结构的应用和发展。为了探明钢结构在火灾下的工作性能,对钢结构基本构件的抗火性能进行了大量研究,提出了相应的设计理论与方法。梁柱节点是钢结构中十分关键的部位,在火灾下的可靠连接是保证钢结构火灾安全的重要前提。为了全面了解钢结构梁柱节点在火灾下的受力性能和破坏机理,从试验研究、有限元模拟和组件分析法三个方面系统地梳理了国内外关于节点抗火性能的研究进展。比较了高温下不同类型节点的力学性能,探讨了多种关键参数对节点在火灾下工作性能的影响规律,介绍了不同类型节点的高温组件分析模型以及弯矩―转角曲线数学模型。分析表明:节点构造形式对钢框架火灾安全有较大影响;通过设置柱腹板加劲肋、提高螺栓强度等级以及增加连接件的厚度等可以有效地提高节点的抗火性能。最后剖析了钢结构梁柱节点抗火研究中存在的不足,对未来值得关注和重视的关键问题提出展望。     

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。     

方钢管混凝土柱—钢梁节点抗震性能数值分析

根据《矩形钢管混凝土结构技术规程》推荐的节点形式,制作了两类带内隔板的方钢管混凝土柱-钢梁节点,即栓焊连接和全对焊连接。建立同时考虑大变形的几何非线性、高强螺栓连接的面—面接触非线性、材料非线性等三重非线性因素的有限元分析模型,通过低周反复加载有限元分析,研究两类节点的抗震性能,并对两类节点的滞回曲线、骨架曲线、节点延性及耗能指标等进行对比分析。结果表明:栓焊连接节点由于螺栓的滑移致使节点的刚度较全对焊连接节点小,螺栓的滑移导致节点的屈服荷载较全对焊节点低,且全对焊节点与栓焊连接节点相比,承载力较大;两类节点滞回曲线均比较饱满,具有较好的耗能性能,由滞回曲线分析得出的耗能指标均满足结构抗震设计的要求,且全对焊连接节点的耗能能力大于栓焊连接节点的耗能能力,抗震性能优于栓焊连接节点。为钢管混凝土结构设计提供了理论依据。     

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。     

不同构造的圆钢管混凝土柱-H钢梁环板节点抗连续性倒塌性能分析

使用有限元分析软件ABAQUS,模拟了中柱失效工况下圆钢管混凝土柱-H钢梁外环板式节点的连续性倒塌全过程,并认为环板、钢梁以及节点核心区三部分的构造变化会对节点连续性倒塌造成很大的影响。结果表明:节点环板外伸尺寸影响塑性铰的形成位置,但改变环板外伸尺寸对连续性倒塌性能提升不明显,故此在设计中选用哪种环板应充分考虑结构、工艺以及经济方面的需要。钢梁的构造影响着连续性倒塌工程中悬链线效应的发挥,抗连续性倒塌设计中建议使用扩翼式节点,不建议使用翼缘削弱式节点,而腹板开孔式节点可以在净空高度不够的情况下使用。节点核心区的构造方式会影响梁柱连接处焊缝的脆性破坏,设计时建议采用腋板加强式节点。对现有建筑进行抗倒塌加固时,建议焊接水平加劲肋或明牛腿,该方法可以大幅提升已有结构的抗连续性倒塌性能。     

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。     

连续倒塌中基于顶底角钢-腹板双角钢节点组件模型的研究

钢结构的抗连续倒塌能力一般取决于其抵抗局部损伤的能力,但这种能力往往取决于许多因素,目前还没有一个稳定可靠的判定方法。基于组件法建模原理将顶底角钢-腹板双角钢节点离散为多个对受力有贡献的基本组件,然后通过集成组件来模拟节点的受力特性,并依此构建了顶底角钢-腹板双角钢半刚性节点梁柱子结构的连续倒塌数值分析模型。结果表明:通过与试验结果比较,节点组件模型能较为准确地反映节点的断裂路径和受力发展过程,同时降低了计算成本。说明组件法在连续倒塌研究中具有重要的理论意义和应用价值,可作为连续倒塌研究的有利工具。     

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。     

基于位移-速度输入法结构多点激励FPS支座隔震效果研究

受行波效应、相干效应、场地效应的影响,大跨度结构的多点激励地震反应分析非常复杂,且考虑多点激励下对大跨空间网格结构隔震性能的影响是结构工程抗震方向中有重大意义的研究课题。以单层圆柱面大跨度空间网架结构为研究对象,基于直接位移法,应用SAP2000有限元软件建立了多点激励动力反应时程分析模型,进行结构在地震动一致激励和多点激励作用下的动力反应分析计算。结果表明：水平地震动多点激励效应对大跨度空间结构的影响十分显著,需采取使用多点激励输入方式。不设置隔震支座时,多点激励下,支撑柱弯矩与剪力随波速的减小而明显增加,柱顶位移变小,中柱轴力略微上升。基础隔震时,各支撑柱柱顶内力与位移的分配较无隔震时存在差异。边柱的弯矩、剪力及轴力均小于中柱的相应值,但柱顶位移增加明显。柱弯矩减震效率保持在45%～75%,柱剪力减震效率保持在60%～85%;柱顶隔震时,能得到比基础隔震更高的隔震效率,且柱弯矩隔震效率高达90%左右,柱剪力隔震效率保持在85%～90%。柱顶位移显著减小,柱轴力比基础隔震时略有增加。     

基于整体效能的不等跨半刚性连接钢框架梁柱子结构抗倒塌设计∗

不等跨半刚性连接钢框架梁柱子结构在连续倒塌工况下短跨节点由于变形较大而率先发生破坏,结构整体的承载力将快速下降,长跨因失去短跨支持,效能得不到充分发挥。基于增大短跨节点变形能力以提升长跨效能利用的设计理念,针对顶底角钢腹板双角钢半刚性连接节点,探究增加短跨顶底角钢厚度、改变短跨梁翼缘螺栓孔形式等对子结构长短跨抗力机制发展的影响,并通过引入协同工作系数,定量说明长跨效能的发挥程度。结果表明,短跨顶底角钢厚度的增加使得短跨梁机制和悬链线机制提供的抗力明显增大,由于长短跨的协同工作,长跨梁机制和悬链线机制得到进一步发挥;在短跨梁翼缘开设长圆孔,使短跨节点具备更大的变形能力,其倒塌抗力得到提升。针对短跨栓孔长度和顶底角钢厚度的设计可使不等跨梁柱子结构的整体效能得到充分发挥,实现了长短跨协同抵抗外载的理想状态。     

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。     

楼板对钢筋混凝土框架结构受力性能影响

汶川8级地震震害调查发现,这次地震中现浇钢筋混凝土框架结构多发生"强梁弱柱"型破坏,这与规范中"强柱弱梁"抗震设计原则相悖。为探究其原因,采用ABAQUS软件对钢筋混凝土带楼板框架和空框架结构进行了侧向加载情况的性能分析。通过对比纵向梁端钢筋应力变化和柱端钢筋应力变化,以及分析不同侧向位移对应的楼板钢筋的应力变化情况,指出楼板对梁端抗负弯矩能力的增强有很大贡献。研究了节点类型、楼板钢筋材性、侧向位移、梁高、梁跨和板厚等因素对纵向梁端处楼板有效宽度的影响规律,提出了负弯矩作用下梁端处楼板有效宽度的取值方法。     

碳纤维加固钢筋混凝土斜腿刚架桥节点的试验研究

碳纤维是1种轻质、高强的加固补强材料,广泛应用于钢筋混凝土结构的加固中,而在钢筋混凝土斜腿刚架桥中,斜交的梁柱节点作为结构内力传递的枢纽,是保证结构整体工作的重要构件,有必要对斜交节点的碳纤维加固进行研究。本文对5个碳纤维加固钢筋混凝土斜腿刚架桥节点试件和1个对比试件进行了试验研究。试验分析表明,在加固以后,节点的强度和变形能力有了明显的提高,同时也提高了节点的承载能力。通过试验发现,与裂缝斜交的碳纤维起着与箍筋类似的抗剪作用,同时在节点受弯部位粘贴的碳纤维与其相对应处的受弯钢筋相比,承受了较大的应力和应变,承受了较大的弯矩。     

受侧向土体位移斜桩的特性

通过三维有限单元法分析了斜桩受侧向土体位移的特性。变动柱和土体参数进行敏感性分析,得出桩的柔度、侧向土体位移的大小、桩顶约束条件、土体位移形状和土体移动层厚度等对斜桩的影响。刚性桩的挠度小于柔性桩,但弯矩和剪力大于柔性桩。斜桩非线性弹簧的土抗力—位移关系(p-y曲线)表现为双曲线特征,可基于直桩的Winkler地基反力法对斜桩进行简化计算分析,但应对直桩的极限土抗力值进行修正,以期更好的反映斜桩的特性。     

火灾后型钢混凝土柱-钢梁节点抗震性能试验研究北大核心CSCD

通过2个火灾后型钢混凝土柱-钢梁节点以及1个常温下型钢混凝土柱-钢梁节点的低周反复加载试验对比,研究火灾作用及受火时间对型钢混凝土柱-钢梁节点的抗震性能的影响。结果表明:火灾后型钢混凝土柱-钢梁节点的破坏形态与常温下的基本相似。由于核心型钢的抗剪作用,火灾后型钢混凝土柱-钢梁节点的最大承载力变化不大,但与最大荷载对应的位移增加,试件的刚度减小,后期变形能力减弱。与常温下的试件相比,火灾后型钢混凝土柱-钢梁节点的延性与耗能能力降低,且随着受火时间的增加,降低程度增大,但总体而言,试件的位移延性系数和等效阻尼比仍能维持较高水平,火灾后型钢混凝土柱-钢梁节点的抗震性能仍较好。     

不同受火方式下混凝土框架结构的变形研究

针对单层框架和三层框架,通过高温数值分析,初步考察了不同受火方式下结构的变形特征。研究发现:①火灾蔓延对结构高温变形影响较大,此时节点的水平位移总体上小于结构全层/全部受火时的相应结果;②受火区间仅对相邻跨或相邻层有一定影响,而对隔跨或隔层影响相对较小;③非对称局部受火情况下,单层框架边节点的水平位移可能比全层受火时更大。     

外包钢-混凝土组合梁与钢管混凝土柱连接节点的滞回性能研究

为研究外包钢-混凝土组合梁与钢管混凝土柱连接节点的抗震性能,基于外包钢-混凝土组合梁与钢管混凝土柱连接节点低周反复荷载作用下的试验结果和有限元的模拟,分析了两类试验节点的滞回特性,提出外包钢-混凝土组合梁与钢管混凝土柱连接节点的三折线恢复力模型及其特征参数的取值范围,并给出恢复力模型表达式。结果表明,试件具有良好的耗能能力,建立的恢复力模型骨架曲线与试验值接近;有限元与试验所得的滞回曲线及骨架曲线在弹性阶段吻合较好,随着荷载的反复,两者之间的差异逐渐增大。     

预应力自复位钢筋混凝土柱及梁柱节点拟静力试验研究

装配式预应力自复位钢筋混凝土结构在地震后构件无损伤或损伤很小,可尽快恢复使用功能,大大降低震后经济损失,从而得到研究者的广泛关注。在以往的装配式预应力自复位钢筋混凝土结构中,节点上的外置阻尼器多选用小型防屈曲支撑,费用较高。本文提出在柱-基础节点及梁柱节点中,用价格低廉且同样具有较好耗能能力的普通角钢替代作为阻尼器,开展了拟静力试验。以往同类型构件试验仅关注试件在单向荷载作用下的性能,本试验同时研究了构件在阻尼器工作的垂直方向上构件的力学性能。文中共进行了两组试验,一组针对自复位柱-基础节点,研究构件加载方向、轴压比、极限位移等因素对构件性能的影响;另一组针对自复位梁-柱节点,研究柱轴压比、极限位移对构件性能的影响。试验结果表明:加载到最大层间位移角为1/15时,试件无明显破坏,预应力钢绞线保持在弹性阶段,始终能够提供恢复力;外置角钢产生弹塑性变形耗散能量,试件耗能能力较好。卸载后,残余变形很小,可以在震后方便地更换外置角钢。     

多层钢筋混凝土平面框架拟动力抗震性能有限元分析

利用ABAQUS软件对3层2跨钢筋混凝土平面框架拟动力试验进行建模分析，建模时充分考虑了混凝土与纵筋、箍筋及型钢的约束关系、合理的地震波输入机制及平面框架的结构阻尼。通过对比有限元中的位移、加速度时程结果与试验结果，两者差异较小，表明建模方法的合理性，并进一步深入分析了该平面框架震后梁柱混凝土的结构损伤、各部件的应力-应变关系、梁柱控制点处的弹塑性状态以及塑性耗能机理与塑性耗能分配机制。结果表明：7种幅值El Centro波作用下，框架梁、柱混凝土均已开裂，柱底混凝土被压碎，纵筋、箍筋、型钢都进入塑性状态；按构件区分，框架梁的塑性耗能占比大于框架柱；按材料区分，梁、柱钢筋是平面框架的主要耗能部件，混凝土次之，型钢耗能占比较小；采用的建模方法可高效准确地模拟平面框架的拟动力性能，可为后续的实际工程作参考。     

上拔水平力组合荷载作用下混凝土扩展基础承载性能试验

介绍了2个相同尺寸混凝土扩展基础分别在上拔、上拔与水平力组合荷载作用下的室内足尺试验概况,并根据加载过程中的基顶荷载位移、基础主柱纵筋应变、扩大端钢筋和混凝土应变等试验数据,分析了2种荷载工况下混凝土扩展基础的承载变形特性及混凝土裂缝发展规律。结果表明:①上拔和水平力组合荷载作用下,基础上拔荷载位移曲线呈现出两阶段特性,而水平位移曲线随水平力增加近似呈线性增加,水平荷载降低了扩展基础的抗拔承载性能;②上拔和水平力组合荷载作用下,基础主柱横截面部分受拉、部分承压,在基础立柱与底板连接处的拉应力最大,混凝土裂缝未贯穿全截面,而在上拔荷载作用下,混凝土扩展基础主柱全断面受拉,裂缝贯穿全断面。