钢结构建筑连接节点静力性能和抗震性能研究 ①

王阳阳

(合肥共达职业技术学院(土木工程),安徽 合肥 230001)

0 引 言

2020年7月3日,住房和城乡建设部下发《针对推动智能建造与建筑产业化合作发展的指导意见》[1],明确指出要进一步推动智能化发展,竭尽全力发展装配式住宅。与传统建筑结构对比,装配式钢架结构的关键所在主要有以下优点。(1)无当场浸湿工作,拼装速度相当快,品质可控性;(2)事先管理方案高,建筑施工周期时间短,气候条件管理制度小,绿色环保;(3)预制构件规格小,得到辽阔的运用室内空间设计[2]。装配式钢结构建筑发展合乎我国建筑产业化和绿色住宅发展的需要,欧美国家、日本早已发展了好多年。在我国模块化钢架结构的探索发展落后,控制板间连接节点的探索比较严重落后于工程实践,欠缺较好的抗震性能联接节点,没法用以抗震整体规划区域内的多层建筑[3]。运用有限元分析软件对新型内套筒形式连接节点模型展开了静力性能与抗震性能分析,可以为模块化建筑构造的工程应用提供参考。

1 模型建立

1.1 新型内套筒形式连接节点

模块化房屋建筑结构种类按原料区划可以分为3种结构类型,各自依据混凝土结构验算方式、钢架结构原理和钢筋锚固-混凝土结构验算方式的体系结构种类,框架剪力墙、框架剪力墙、构造-裁切构造、筒体结构有效,建筑施工便捷,融进控制器装修和操作步骤[3]。此次实验根据“强柱弱梁、强结点弱”预制构件标准[3],依据模块化钢架结构的承载力特性,提出了一种新型内套筒形式连接节点,预成型件构件节点基本计算参数如表1所示。

表1 构件节点基本计算参数

在制备新型连接节点时,连接节点符合《钢结构设计标准》[4及《钢结构连接节点设计手册》5]中的相关规定。在承受外荷载时,模块化建筑表现出与传统建筑一致的“板-梁-柱”传力模式,不同区别在于,模块化建筑会在某一个或某一区域的模块单元先受力,再通过连接节点将力进行横向及纵向传递到相邻模块,使整个建筑结构共同受力。新型内套筒形式连接节点具有优异的力学性能,受力更加合理且内力分布均匀,由此可知,该新型内套筒形式连接节点具有模块建筑独特的传力机理,也具有外隔板节点的优异力学性能,有利于节点在高层及抗震设防地区的使用。

1.2 参数计算

新型内套筒形式连接节点模型采用Q345钢材,钢材采用Von Mises屈服准则,材料参数为:弹性模量E=2.12×105N/mm2,密度ρ=7.85×105g/mm2,泊松比μ=0.3;新型内套筒形式连接节点模型材料参数表,如表2所示。

表2 材料参数表

对有限元分析模型开展抗拉强度分析时发现,原料硬底化模型可以作为多种加强模型,该模型完成了原料的一侧抗拉强度,原料硬底化又回应另一个角度抗拉强度,新型内套筒形式连接节点在负载影响下产生塑性应变,说明节点复合材质在后续反方向负载影响下塑性应变有一定的缓解。

1.3 网格划分

文中根据展开节点的有限元分析,展开实铜芯电缆模型与分析,对节点模型中的连接板、内套筒、钢管柱等联接部位展开网格划分。节点域框架柱细分化孔径为0.04m。因为框架柱与内筒、固定板接触到的部位之外的区域并不是研究的重点位置,将孔径界定为0.1m。

1.4 模型加载

新型内套筒形式连接节点模型的承重方法包含荷载、位移荷载和位移-荷载混和荷载,为了获取节点的原始弯曲刚度、妥协荷载和极限承载力等信息,选用离散变量变指数屈曲分析在控制板联接节点上展开位移简单荷载,将节点做为妥协荷载和极限值荷载开展承重;为了获取地震力下节点的抗震能力、展延等性能特性,对控制板联接节点展开往复式载入,获得滞回曲线,并对各个主要参数展开了深入分析。

2 新型节点承载力分析

给出了一种新的内筒螺钉连接新节点联接方式,为了方便后边的参数分析,对钢构架棱柱展开了研究,先后进行简单载入研究其损坏方式,展开低周往复载入来探讨建筑抗震等级性能、延展性及消耗技术等性能,梁长方向地脚螺栓变小,梁长方向地脚螺栓被断开为了表示节点承受力,下列将梁的长边方向统称为X方向,将梁的短边方向统称为Y方向[6]。X向及Y向加载的荷载—位移曲线,如图1所示。

图1 X向及Y向加载的荷载—位移曲线

由图1能够得知,沿X方向的新节点荷载伴随着荷载位移的提高,发展趋势逐渐变缓。当新式节点荷载到达19.25mm时,上梁x屈服于立柱连接点处,这时上梁与立柱承连接点处承担担比较大的应力,上梁屈服面积持续扩大,这时应力为415MPa,载入到100mm时,边梁上面部分横截面应力为412.5MPa。伴随着荷载的扩大,上柱挤压成型,实际效果更明显,柱底产生挤压变形,与最后一个节点一样,当新节点荷载沿梁Y方向载入至22.45mm时,顶梁与地梁的下半段与此同时开始屈服,当负载扩大到62.75mm时,柱端和法兰连接区进到可塑区,定位板并没有屈服;当荷载增至100mm时,顶梁与地梁的可塑性区贴近规定值应力。

3 新型节点抗震性能分析

为了研究新型内套筒形式连接节点的抗震性能,采用控制位移加载法,在模型上施加周期性的反复位移得到了新型内套筒形式连接节点X方向及Y方向的滞回曲线、骨架曲线、耗能系数等参数并进行了研究。

根据有限元模拟算出的X方向和Y方向骨架曲线如图2所示,由图2可知,新型内套筒形式连接节点X向及Y向的骨架曲线经历了明显的弹性、弹塑性和塑形三个阶段。其中,X向骨架曲线的负载位移加载至120mm时,新型内套筒形式连接节点的承载力随位移的增加开始趋缓,Y向骨架曲线的负载位移加载至120mm时,新型内套筒形式连接节点的承载力随位移的增加出现略微下降趋势。由骨架曲线可以看出新型内套筒连接节点具有较大承载力与抗侧刚度[7]。

图2 X向及Y向骨架曲线

通过对比X向及Y向骨架曲线可知,连接点X相较于载荷的弯曲刚度和极限值承载力超过了Y方向里的载荷。根本原因是在X方向上加载时,X方向中存在3列螺栓,限制了立柱的挪动。伴随着螺钉连接力量的减小,定位板与梁的连接效果变弱,受往复承载力产生的影响,承载力减小。

在钢结构循环不断承载力的作用下,构造既需要充足的强度刚度,还要较好的延性性能,延性性能的好与坏对建筑抗震等级性能起到重要作用,较好的延性不会受到洪水灾害的脆性破坏。连接节点的延性指的是在屈服阶段到指标值的承载力正中间担负塑性变形的能力[8],钢结构相接处的延性越大,在承受力时具备越高塑性变形能力,能耗越多。延性系数的计算公式如下:

(1)

式(1)中:Δμo 试件的极限变形;Δy为 试件的屈服变形

依据计算公式得出了新型内套筒形式连接节点模型X向及Y向的延性系数统计表,如表4所示。

表3 延性系数统计表

通过表3可知,新型内套筒形式连接节点模型沿X方向和Y方向,正负极限值负载和让步负载的比例分别是1.78,1.52和1.54,1.48,连接点具有很高的安全储备;延性指数值为2.76和2.87,具有较好的延性。

4 结 语

根据有限元仿真模拟软件,扩展了一种新的新型内套筒形式连接节点模型,开展了简单载入和高频率往复式载入,具体结果如下所示。

(1)依据模块化钢架结构承受力特性,设立了新型内套筒形式连接节点模型;对于新型内套筒形式连接节点展开了有限元分析。讲述了连接节点的静力性能,发觉在x向荷载的作用下,极限值荷载超出z向荷载,节点在楼面板电焊焊接开裂前提下,也会引起楼面板非常严重的变型和毁坏。

(2)对新型内套筒形式连接节点的抗震等级性能进行了研究,结果显示z向荷载时极限值荷载、弯曲刚度超出x向荷载,但延性指数及能源消耗水准的z向荷载比x向荷载好;此外,新型内套筒形式连接节点归属于半刚性节点;在大多数荷载方向下,节点延性指数超出2,等效粘滞阻尼系数超出0.2,说明新型内套筒形式连接节点建筑抗震等级性能优质。