CFST柱—钢梁单边螺栓端板连接节点设计.doc

钢管混凝土柱(CFST)具有承载力高、抗震和抗火性能好、造价适中等特点,目前在建筑结构中应用广泛。钢管混凝土柱与钢梁之间通常采用焊接,焊接节点容易发生脆性破坏,端板螺栓连接能避免该问题。因钢管为封闭截面,采用传统的高强螺栓连接比较困难。

采用单边螺栓连接能解决普通高强螺栓连接在闭合截面中使用困难的局面。目前针对钢管混凝土柱钢梁之间采用单边螺栓连接已进行了相关试验研究,试验结果表明该连接节点性能优良。为在实际工程中推广应用,尚需进行深入系统的理论设计方法研究。

本文采用理论分析和数值模拟的方法进行了节点初始转动刚度、极限承载力、弯矩-转角关系、节点设计方法的研究,具体研究工作和相应成果如下:(1)运用组件法建立了 CFST柱-钢梁单边螺栓外伸端板连接节点的初始转动刚度计算模型。通过分析影响节点刚度的各组件在受力过程中的变形特征,建立起各组件刚度计算简化模型,并分别求出了其对应的刚度,最后整合成简单而准确的节点刚度计算公式。通过大量试验和有限元分析对提出的简化公式进行了有效性验证。

(2)采用单因素分析方法确定了节点的极限承载力,该类节点破坏模式主要包括螺栓的破坏、端板受弯破坏、管壁的破坏以及钢梁的屈服破坏,分别推导了各组件的简化计算公式,并选取相关试验数据对公式的有效性进行了验证。(3)通过比较分析,选取三参数模型来描述节点的弯矩-转角关系,三个参数分别为节点初始转动刚度、极限承载力、形状参数。初始转动刚度和极限承载力分别按第二、三章方法进行计算,形状参数则根据已有的有限元数据进行拟合,经试验和有限元验证表明该模型可以较好的描述该节点的弯矩和转角之间的关系。

(4)采用ABAQUS建立了方CFST柱-钢梁单边螺栓外伸端板连接节点的有限元分析模型,模拟试验中的加载方式进行加载,并将分析结果与试验数据进行对比,验证模型的有效性;选取一典型试件进行详细分析,分析此类节点的受力性能及变形模态,同时总结历次试验中节点的破坏模式,选出一种较理想的节点破坏模式,供节点设计时进行参考。(5)基于以上研究,结合相关规范,提出了 CFST柱-钢梁单边螺栓外伸端板连接刚性节点设计方法。通过有限元对设计方法进行了有效性验证,为工程设计提供了参考。