方钢管混凝土钢框架结构由于具有综合经济效益好、强度高、延性好、抗震性能优越、施工周期短等优点,其应用越来越广泛。但我国对方钢管混凝土柱-工字钢梁节点的理论和试验研究较少,因此开展方钢管混凝土柱-工字钢梁节点的受力性能研究,对于促进方钢管混凝土柱框架的推广应用具有重要的理论意义与工程应用价值。目前,对方钢管混凝土柱与钢梁刚性连接节点的研究主要是针对内隔板式节点,柱多为焊接方钢管。
根据多层建筑中采用冷成型方钢管柱的特点,研究了外隔板式节点和竖向加劲肋式节点的受力性能。设计了2个外隔板式和2个竖向加劲肋式方钢管混凝土柱-工字钢梁节点试件,进行了节点的低周反复加载试验,研究了这两种节点在反复循环荷载作用下的滞回性能、耗能能力、延性、应力分布规律和传力机制。而后根据外隔板式和竖向加劲肋式方钢管混凝土柱-工字钢梁节点试件的实际尺寸进行三维实体建模,运用有限元软件ANSYS进行非线性分析,有限元分析得出的结果与试验结果较为吻合。最后通过对10个不同参数的外隔板式方钢管混凝土柱-工字钢梁节点模型的非线性有限元分析,探讨了外隔板宽度、梁翼缘变截面斜率对节点性能的影响。试验和有限元分析结果表明,这两种节点具有足够的承载力以及较好的延性和耗能能力。
外隔板式节点在梁端主要由柱角附近的外隔板承受弯矩,梁端弯矩一部分由梁翼缘通过柱腹板两侧隔板传递到柱腹板和核心区混凝土,另一部分则主要通过柱角内侧有效宽度范围内的隔板传递给柱翼缘和核心区混凝土。25#工字钢厚度竖向加劲肋式节点梁端弯矩主要由梁翼缘向两侧的竖向加劲肋传递,并通过竖向加劲肋传递给柱腹板和核心区混凝土。外隔板式节点和竖向加劲肋式节点的塑性铰都出现在梁翼缘变截面最窄处,但梁翼缘变截面在竖向加劲肋外的节点的塑性区域长度大于梁翼缘变截面在竖向加劲肋内的节点。节点域剪力由钢管壁和核心区的混凝土共同承担,节点核心区混凝土应力较大的区域呈倾斜的带状分布,符合斜压杆受力机制。
对外隔板式节点建议梁翼缘变截面斜率( ct gα)可取2~4,梁端翼缘的有效宽度可取0.5倍柱宽与2/3倍柱腹板两侧外隔板外伸宽度之和。外隔板式节点和竖向加劲肋式节点的受弯和受剪机理及梁上塑性铰出现位置不同于常规节点,本文根据试验和理论分析,并参考相关设计规程,推导了外隔板式节点和竖向加劲肋式节点的节点抗弯承载力和抗剪承载力、强柱弱梁验算和强节点弱杆件验算表达式,给出了节点的设计建议。
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