穿心构造的钢管混凝土柱–钢梁节点抗连续性倒塌性能分析与评估

火灾、爆炸、撞击等突发事件可能造成建筑物发生连续性倒塌,二十世纪以来,随着国际上恐怖活动逐年增多,各国专家学者开始重视建筑防倒塌规范的制定和结构抗连续性倒塌性能的研究。目前,钢管混凝土柱–钢梁外环板式节点已被广泛应用于工程实例中,但其因在钢管外壁焊接外加强环板占用大量建筑空间,影响建筑物使用功能,而钢管混凝土柱–钢梁穿心式节点即钢梁整体或部分穿过钢管及钢管内填充的混凝土,大大节省建筑使用空间。为研究穿心型钢管混凝土柱–钢梁节点在连续性倒塌工况下的机制,利用ABAQUS有限元软件建立5个穿心构造的钢管混凝土柱–钢梁节点及1个全焊接节点模型,考察节点在连续倒塌工况下的抗力机制、变形模式及内力变化,并评估其节点的抗连续倒塌能力。结果表明:穿心型钢管混凝土柱–钢梁节点的连续倒塌破坏模式可分为钢梁倒塌破坏模式和柱壁倒塌破坏模式两种类型,柱壁倒塌破坏虽有更好的延性及承载力,但钢管壁鼓曲具有不稳定性。节点的竖向承载力主要由抗弯机制及悬链线机制提供,其中抗弯机制提供前期抗力,悬链线机制决定后期极限承载力。新型穿心构造的钢管混凝土柱–钢梁节点具有良好的抗连续倒塌能力,其节点抗连续倒塌性能评估指标高于其余钢梁倒塌破坏节点。     

劲性梁-钢管砼柱不穿心节点轴压承载力的试验

节点是钢管混凝土柱结构的重要部位,相关的试验研究和理论研究严重滞后.本文对最不利形式的节点-钢梁不穿心(钢梁直接焊接在钢管壁上)节点轴压性能进行了试验研究,讨论试验的基本概况、破坏现象以及轴压承载力等问题.试验结果表明,我国规程中规定公式的计算值与本次试验所得的劲性梁-钢管混凝土柱不穿心节点的节点区轴压承载力试验值基本吻合.结论可为不穿心节点轴压承载力的计算、不穿心节点的设计提供参考依据. 更多还原     

钢框架子结构抗连续性倒塌性能数值模拟分析

对栓焊节点的钢框架子结构连续性倒塌过程进行数值模拟分析,考察子结构在抗连续性倒塌工况下的破坏模式和受力机制,验证了该分析模型和分析方法的有效性。基于试验与数值模拟结果中存在的翼缘屈曲和应力集中问题,对文献试件SI-WB-2进行改进,针对改进试件SW与原试件SI-WB-2,在破坏模式、应力、承载力、内力发展过程和抗力机制等方面进行对比分析。结果表明:增大连接区域的钢梁翼缘宽度和施加腹板加劲肋,可使节点域的塑性铰外移,降低翼缘局部屈曲程度,同时节点域刚度增大,抗倒塌能力增强,承载能力提高了8.3%;钢梁下翼缘断裂范围减小,利于悬链线作用的发挥。     

竖向穿心板式钢管混凝土柱-钢梁栓接节点承载性能分析

为了解决传统钢管混凝土柱-钢梁节点内隔板焊接困难、外环板用钢量大以及柱子截面大造成室内出现凸角的问题,提出一种适用于装配式钢结构住宅的竖向穿心板式钢管混凝土柱-钢梁栓接节点,并在该节点单调加载试验基础上,对其承载性能及受力过程进行有限元模拟分析.结果表明:按实际摩擦因数输入的有限元模型分析结果与试验吻合较好,可通过有限元分析研究试验加载的详细过程;该节点按刚度分类属于半刚性连接,节点受力过程分为弹性阶段、滑移阶段、强化阶段、破坏阶段;节点均具有较高的承载力,其连接的延性系数均大于6,塑性转角均大于0.035,满足相关规范的要求.     

钢管混凝土柱-钢梁外环板节点抗弯承载力计算方法

基于ABAQUS软件建立了钢管混凝土柱-钢梁环板节点的三维有限元数值模型,通过已有试验结果与数值计算结果的对比校验了有限元模型的适用性。基于数值分析结果,分析了此类节点的受力特性,并利用有限元模型进行了参数分析,探讨了环板宽度、柱截面含钢率、钢梁极限弯矩、钢管强度、钢梁材料强度、混凝土强度、柱轴压比、梁柱线刚度比等参数对此类节点抗弯承载力的影响规律。在参数分析的基础上建议了此类节点的抗弯承载力简化计算公式,简化计算结果与有限元计算结果总体上吻合良好。     

内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土柱-钢梁节点的静力性能

目的通过研究找出两类内置CFRP圆管方钢管高强混凝土柱-钢梁节点在单调荷载作用下的传力机制和破坏模态．方法设计了一栋采用内置CFRP圆管的方钢管混凝土柱的5层框架结构,利用有限元软件ABAQUS建立了三维有限元模型,对两类节点进行了单调荷载作用下的模拟分析．结果外加强环式节点的梁端弯矩主要通过柱角附近的水平环板和柱两侧外伸环板传递给柱壁和核心混凝土,水平环板有效宽度大约为0．5倍的柱宽度．外肋环板式节点的极限位移均大于外加强环式节点,尤其是外肋宽度大于40mm时更为明显．外肋环板式节点的极限承载力也高于外加强环式节点．结论设计节点的破坏主要原因是环板和钢梁翼缘交接位置出现局部屈曲,节点的极限承载力取决于梁的抗弯承载力,变截面位置作为整个节点危险部位,在设计中应进行计算和校核．     

带外套管钢管混凝土柱与钢梁节点力学性能研究

在总结以往钢管混凝土柱与钢梁连接节点不足的基础上,提出了新型带外套管式钢管混凝土柱与钢梁单边螺栓连接节点,通过已有的试验研究和理论分析,考虑构件的初始几何缺陷和混凝土的塑性损伤本构,在与试验对比后,分别建立了带和不带外套管式钢管混凝土柱-钢梁端板连接节点的有限元模型.通过对模型进行单调加载,分析节点的破坏和工作机理;然后对节点进行参数分析,总结出影响节点初始刚度和承载力的主要因素;提出外套管式钢管混凝土柱-钢梁端板连接节点的M-θr实用模型.结果表明:带外套管式钢管混凝土-钢梁端板连接节点具有更大的初始刚度、承载力,提出节点的M-θr曲线实用计算方法与有限元计算出的M-θr曲线吻合较好,研究将为外套管式钢管混凝土柱-钢梁单边螺栓端板连接节点在实际工程中的应用提供参考.     

一种栓筋连接的装配式RC框架结构抗倒塌分析

为研究一种外包钢管栓筋连接的装配式钢筋混凝土框架结构的抗倒塌性能,完成了3根足尺装配式整体式长柱试验。首先使用有限元软件SAP2000中的多段线性塑性连结单元提出了一种简化的装配式柱模型,模拟出了该柱-柱节点,并与试验结果比较。然后采用抽柱法对一栋6层外包钢管栓筋连接的装配式框架结构和现浇框架结构进行连续倒塌分析,分别抽除首层角柱、首层长边中柱、首层短边中柱、首层内柱四种工况,得到了抽柱后的关键构件内力、位移时程曲线;最后通过Pushdown曲线分析装配与现浇结构的倒塌机制。研究结果表明:多段线性塑性连接单元较好地模拟了装配式柱-柱节点,模拟值与试验值比较吻合;在设计荷载作用下,四种工况中内柱的破坏对装配结构影响最大,其位移比现浇结构大了72.2%;在抗力曲线中发现,角柱破坏时是装配结构梁机制的承载力最低的情况,比现浇结构小了25.4%,内柱破坏时是装配结构悬链线机制的承载力最低的情况,比现浇结构小了33.1%。最终得出需要加强装配结构的内柱和边柱及其相邻梁构件的截面尺寸和配筋,以及外包钢管的厚度来提高其刚度,本文可为此类装配式结构的后续工程应用提供一种抗倒塌设计参考。     

钢-混凝土组合梁连续倒塌性能与倒塌机理分析

为了研究在中柱失效情况下钢-混凝土组合梁的连续倒塌性能,利用ANSYS软件对12根组合梁柱子结构试件进行了有限元建模,分析了混凝土板中配筋率、组合梁跨高比、栓钉间距、梁端纵向约束条件等参数对组合梁连续倒塌性能的影响。结果表明,板中配筋率、跨高比、钢梁高度等参数对组合梁的抗倒塌承载力影响显著;考虑悬链线工作机制的组合梁极限抗倒塌承载力约为按照塑性铰破坏模型计算所得抗倒塌承载力的1.34~1.86倍;进行组合梁的静力倒塌分析时应考虑荷载的冲击作用,倒塌荷载动力增大系数(DIF)可在1.13~1.41之间取值。     

边柱失效后RC板柱结构连续倒塌性能试验研究

制作了2个缩尺比例为1/3.5的单层1×2跨的RC板柱子结构试件,对其开展了边柱失效情况下的静力倒塌试验,研究其倒塌破坏模式和破坏机理等连续倒塌性能,探讨混凝土板底配置斜向构造钢筋对RC板柱结构连续倒塌性能的影响。试验结果表明：在失效柱节点区发生冲切破坏后,相邻角柱和边柱的节点区域先后发生弯剪破坏;加载过程中混凝土板顶面和底面分别形成了以失效柱为中心的弧形裂缝分布和放射型裂缝分布;由失效柱承担的荷载在剩余结构中主要沿楼盖板的短跨向相邻柱传递;与未配置板底斜向构造钢筋的试件相比,配置板底斜向构造钢筋试件的开裂荷载、第1个峰值荷载和极限抗倒塌承载力分别提高了78.3%、32.3%和50.7%;布置斜向板底构造钢筋的试件在倒塌过程中荷载动力增大系数（DIF）的最大值和波动幅度均明显减小。分析可知,拉膜效应是板柱结构中一种重要的抗倒塌工作机制;在对边柱失效情况下的板柱结构开展静力倒塌分析时荷载动力增大系数（DIF）的取值既不应小于1.16,也不应大于2.0;配置板底斜向构造钢筋可以作为提高RC板柱结构薄弱区域抗连续倒塌性能的一种有效构造措施。最后,基于试验提出了边柱失效情况下板柱结构的抗倒塌承载力计算模型,计算值与试验值的对比表明该计算模型可用于对边柱失效情况下板柱结构抗倒塌承载力的评估。     

弱轴栓焊连接梁柱子结构抗倒塌性能试验研究

栓焊连接是钢结构建筑中常用的节点形式之一,该节点的受力性能和破坏方式与钢框架结构的抗倒塌性能密切相关。针对栓焊连接节点,采用备用荷载路径法,选择两跨三柱型梁柱子结构作为研究对象,对三个不同跨度比（1:0.6, 1:1.0, 1:1.4）的弱轴栓焊连接梁柱子结构试件进行单调静力加载试验,对比分析了连续倒塌条件下三个试件的破坏模式、力学性能和抗力机制。试验结果表明：三个试件的破坏过程均为梁端受拉翼缘先后发生断裂,进而断裂截面部分内力转由腹板螺栓传递,且梁端受压翼缘屈曲,最终由于梁柱节点处梁腹板螺栓孔发生剪切破坏或梁腹板、节点板断裂使试件丧失承载力。通过分析试件的失效机理可知,三个试件的抗力机制发展过程经历了梁机制阶段、梁机制向悬链线机制转变的过渡阶段、悬链线机制阶段。弱轴栓焊连接节点具有较高的冗余度,当受拉翼缘断裂后节点仍具有一定的转动能力,剩余结构通过梁柱之间可靠的拉结力及梁端产生的较大转角保证悬链线效应能够充分发挥,且在之后的大变形中起主导作用,而梁柱节点变形的快速增大有利于梁柱子结构通过梁柱构件间的协同工作继续承担荷载。对不等跨弱轴栓焊连接梁柱子结构试件,其初始断裂部位往往位于跨高比较小的短梁,且短梁相比长梁的悬链线效应更为显著。     

新型CFST柱-RC梁节点抗震性能试验

结合钢管混凝土（CFST）柱和钢筋混凝土（RC）梁各自的优点,提出一种采用U形钢板-栓钉组合连接的新型CFST柱-RC梁节点.为研究新型节点的抗震性能,设计并制作了2个足尺CFST柱-RC梁节点及1个传统的RC节点试件,对其进行了低周往复荷载作用下的试验研究.结果表明:该类新型CFST柱-RC梁节点破坏模式与传统的RC节点相似,均发生梁端弯曲破坏,破坏区域主要在U形连接板外,实现塑性铰外移.按照试验现场的试件安装位置,十字节点的梁分别命名为S梁和N梁.CFST中柱节点、CFST边节点N梁承载力较RC节点分别提高11.6%（负向提高13.0%）和5.3%（负向提高7.5%）;中柱节点的S梁承载力提高20.2%（负向提高19.6%）.荷载-位移曲线饱满,累计耗能与RC节点相比提高约17.0%（S梁提高36.0%）、20.1%,各试件的位移延性系数均大于4.0,新型CFST柱-RC梁中柱节点、边节点的位移延性系数分别提高2.4%、21.3%,具有较好的变形能力.     

圆钢管混凝土 K 型焊接管板节点受力性能试验

为研究格构式钢管混凝土风力发电机塔架K型焊接管板节点的受力性能,进行了4个圆钢管混凝土K型焊接管板节点的单调静力加载试验和1个空心圆钢管K型焊接管板节点的对比试验,探讨了该类节点的破坏模式、极限承载力以及节点区应力分布和发展规律,研究了各试验参数对节点受力性能的影响。试验结果表明：塔柱内混凝土的填充使得焊接管板节点的破坏模式由节点交汇处塔柱管壁塑性变形失效转变为节点板失效和腹杆失效;节点的极限承载力大幅增加,变形减小;节点几何参数和构造参数的变化对试件受力性能的影响较大;当节点板中部设置加劲肋时,节点的承载力提高,节点板平面外失稳得以避免;当节点极限承载力由腹杆屈曲或屈服承载力控制时,在一定范围内随着腹杆与塔柱管径比和壁厚比的增加,节点的承载力提高。     

不同跨度比下腹板双角钢连接抗倒塌性能研究

以腹板双角钢连接的3个不同跨度比（1:0.6, 1:1.0, 1:1.4）两跨三柱型钢框架梁柱子结构为研究对象,通过单调静力加载试验和数值分析探究了其在连续倒塌条件下的破坏模式、力学形态、抗力机制和节点失效机理。结果表明,试件破坏均为失效柱与梁相连的两侧角钢因受拉发生断裂,且梁轴力、梁端节点转角以及角钢尺寸等是影响角钢肢断裂破坏的主要因素。3个试件具有相似的变形形态和破坏模式,其荷载峰值接近,但峰值荷载对应的失效柱水平位移随跨度比的增大而依次减小。对不等跨试件,变形较大时梁柱子结构因短梁梁端转角远大于长梁,使得内力重分布时线刚度较大的短梁将承担较多的水平荷载而先发生破坏。3个试件的抗力机制发展过程均可划分为梁机制与悬链线机制的混合阶段和悬链线机制阶段,且悬链线机制的充分发挥需要梁柱间具有可靠的拉结力。     

内置高强芯柱的方钢管混凝土柱-钢梁端板-螺栓连接节点的抗震性能

为研究内置FRP约束UHPC高强芯柱的方钢管混凝土柱-钢梁端板-螺栓连接节点的抗震性能,基于“强柱弱梁”目标设计制作5个端板-螺栓连接节点试件,通过拟静力试验研究节点的破坏机理,并分析柱轴压比、FRP管厚度和有无芯柱对节点抗震性能的影响,对比钢梁更换前后节点的性能。试验结果表明：所有试件均在梁端形成塑性铰破坏;该破坏模式下,节点具有较高的承载力、耗能能力和较好的延性;内置芯柱时,试件承载力提高但延性降低;随着FRP管厚度增加,节点初始刚度和耗能能力均得到提升;相比原试件,更换梁试件的耗能能力、延性和初始刚度均有所降低。变形分析结果表明：节点域组合柱以受弯变形为主,两侧钢梁主要承担节点域的剪切变形。依据初始刚度判定该节点属于刚性节点。     

热弯钢管CFST-外包RC复合节点受力性能

为研究某体育馆新型复合节点的受力性能,以该体育馆大跨桁架结构弦杆钢管弯曲后竖直插入地下钢筋混凝土框架柱的拱脚为原型,设计了3个采用热弯圆钢管的CFST-外包RC组合节点,进行了节点在弦杆受压、腹杆受拉的复杂受力下加载试验与有限元数值模拟,研究了热弯钢管残余应力、不同弯曲角度以及弦杆根部钢管内是否填充混凝土等对节点破坏形态、承载能力等受力性能的影响。结果表明: 热弯钢管CFST-外包RC组合节点的破坏形态主要为弦杆根部钢管的屈曲破坏,节点承载力取决于弦杆根部受压承载力;钢管热弯产生的残余应力降低了节点刚度且钢管弯曲角度越大节点刚度降低越大,但对承载力基本没有影响;钢管内填混凝土可以显著提高节点刚度和承载力,节点刚度和承载力随钢管直径增大而增大。     

带抗剪环的钢管混凝土柱环梁节点单调直剪试验研究

通过3个带抗剪环的钢管混凝土柱环梁节点单调直剪试验,对设置抗剪环环梁的极限直剪承载能力、环梁的宏观受力表现、受力过程中环梁相对钢管的滑移以及环梁的最终破坏形态等进行了分析研究。试验结果表明,环梁节点的破坏模型及承载力计算还有待进行更深入的试验及分析研究。     

FRP-钢夹层复合管混凝土桥墩轴压承载力试验

为改善现有钢管混凝土不耐腐蚀以及FRP约束钢管混凝土施工复杂的缺点,提出一种新型组合构件:FRP-钢夹层复合管混凝土.为探究其受力性能,进行了FRP-钢夹层复合管混凝土柱式桥墩轴压试验研究,并与FRP约束钢管混凝土以及钢管混凝土进行对比,分析3种结构形式的受力性能和破坏模式.试验结果表明:钢管混凝土短柱因含钢率较低而发生剪切破坏,而FRP-钢夹层复合管混凝土短柱与FRP约束钢管混凝土短柱由于外部FRP的附加约束作用均产生腰鼓型破坏; FRP约束钢管混凝土短柱树脂基体被挤压破碎,而FRP-钢夹层复合管混凝土短柱由于夹层的存在未发生树脂基体的挤压破碎;与FRP约束钢管混凝土短柱相比,由于夹层灌浆料的作用,FRP-钢夹层复合管混凝土短柱承载力提高35.3%,极限变形提高22.5%.此外,在现有钢管混凝土和FRP约束混凝土承载力计算公式基础上得到了FRP-钢夹层复合管混凝土短柱的承载力计算公式,计算结果与试验值吻合良好.     

基于构件拆除法的不规则预压装配式框架连续倒塌分析

文章通过ABAQUS有限元模拟软件建立了L形平面不规则预压装配式PC框架,设置多种不同工况,研究了拆除各个位置承重柱后该框架剩余结构的抗连续倒塌机理。研究表明：预压装配式结构可提高结构整体的最大抗力;预应力钢筋的配置可提高结构的抗连续倒塌能力,并在悬链线阶段提高效果明显;柱失效位置对结构抗连续倒塌有着重大的影响,转角柱的结构抗连续倒塌性能介于内柱与长边中柱之间,其破坏位置越低、破坏时间越早,破坏范围越大。