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单层单跨变截面门式刚架结构梁柱节点与结构整体抗震性能研究

作　者: 王振山
导　师: 苏明周
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 结构工程
关键词: 门式刚架抗震性能半刚性连接拟静力试验 M-θ模型有限元分析恢复力模型
分类号: TU392.5
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

轻型门式刚架结构具有良好的经济效益和抗震性能，在低层建筑中应用广泛。由于自重较轻，地震作用力较小，人们对于该结构的抗震研究较少。但在后来的一些强烈地震中，结构局部仍然会发生一定程度的破坏，严重的局部变形甚至会引起整体结构的倒塌，这引起了人们对其抗震性能研究的重视。本文对1/2缩尺模型端板竖放、平放、斜放螺栓连接节点进行滞回试验研究，每种节点形式3个试件。试验得到了节点的荷载-位移曲线、骨架曲线、刚度退化和螺栓内力分布情况。研究表明：三种形式节点的破坏模式基本相似，均为距梁端约1.5倍梁大头截面高度位置翼缘发生局部屈曲，构件承载力达到峰值后迅速下降，呈脆性破坏形式。试件的荷载-位移滞回曲线饱满程度不高，说明其塑性发展较小，耗能能力较差，地震作用下不能利用其塑性耗能能力，结构设计应按弹性阶段考虑。端板厚度和螺栓强度对节点刚度影响较大，端板越厚，螺栓强度越高，节点刚度越大。但进入弹塑性阶段，端板越厚其刚度退化速度越快。综合考虑三种节点的抗震性能，建议设计时优先考虑使用端板竖放形式。总之，按“规程”设计的节点可满足了“强节点，弱构件”的抗震设计理念要求。本文同时对1/3缩尺模型柱脚铰接端板竖放节点的整体门式刚架结构进行拟静力试验研究，刚架的破坏模式为形成3个“屈曲铰”的机构：2个铰位于梁的两个端部，1个位于梁跨中截面薄弱处；试验得到了结构的滞回曲线、骨架曲线、刚度、刚度退化及水平位移情况，并利用底部剪力法对其地震承载力进行验算。结果表明：虽然该结构延性、耗能能力较低，难以利用其塑性变形提高抗震性能；但由于结构自重轻，地震作用力小，仍可较好满足抗震设防要求。通过应变数据的分析，发现塑性阶段，近、远端梁应变差异较大，并分析了影响结构整体性能的因素，如局部屈曲、蒙皮效应、楔率、翼缘宽厚比及腹板高厚比等。本文通过有限元软件对试验模型进行验证，并分析了试验模型原型结构的抗震性能，在此基础上进行参数分析，包括翼缘宽厚比、腹板高厚比和楔率对结构抗震性能的影响。研究发现：梁翼缘宽厚比、腹板高厚比及楔率主要影响结构的承载力和耗能情况；柱翼缘宽厚比、腹板高厚比及楔率主要影响结构初始刚度、退化刚度和位移情况。在有限元参数分析结果上，拟合得到结构屈服荷载、峰值荷载与破坏荷载之间的计算公式以及退化刚度、负刚度与初始刚度之间的计算公式。同时，本文提出了一种提高门式刚架整体抗震性能的支撑形式，有限元分析表明：带支撑结构比未设置支撑结构承载力提高10%以上，耗能能力提高1.8倍。在强化双线性模型以及端板竖放节点滞回试验的基础上，建立了该节点的M-θ简化模型，与整体拟静力试验及有限元模型对比发现，该简化模型对结构的屈服荷载与最大荷载计算较准确，具有较高的工程意义。最后，本文提出了考虑翼缘宽厚比、腹板高比及楔率影响的门式刚架退化三线型恢复力模型，与试验结果吻合较好，为该结构的抗震性能分析提供了一种简化方法。根据上述研究结果，对轻型门式刚架节点及整体结构的抗震性能有了较全面认识，可为相关规范修订提供一定依据，并为日后展开更深入的研究奠定基础。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-12
1 绪论  12-38
  1.1 研究背景  12-15
    1.1.1 国外发展概述  12
    1.1.2 结构特性  12-14
    1.1.3 国内发展概述  14-15
  1.2 端板连接半刚性节点研究现状  15-24
    1.2.1 国外研究情况  17-23
    1.2.2 国内研究情况  23-24
  1.3 门式刚架结构抗震性能研究现状  24-28
    1.3.1 国外研究情况  25-27
    1.3.2 国内研究情况  27-28
  1.4 研究意义  28-29
  1.5 主要研究内容  29-31
  参考文献  31-38
2 门式刚架端板连接节点抗震试验研究  38-62
  2.1 材性试验及结果  38-39
  2.2 试验概况  39-44
    2.2.1 试件设计  39-42
    2.2.2 加载装置设计  42-44
  2.3 端板竖放梁-柱节点试验研究  44-48
    2.3.1 试验过程及现象  44-46
    2.3.2 试验数据分析  46-48
  2.4 端板平放梁-柱节点试验研究  48-54
    2.4.1 试验过程及现象  48-51
    2.4.2 试验数据分析  51-54
  2.5 端板斜放梁-柱节点试验研究  54-59
    2.5.1 试验过程及现象  54-56
    2.5.2 试验数据分析  56-59
  2.6 三种形式节点性能比较分析  59-60
  2.7 小结  60-61
  参考文献  61-62
3 门式刚架结构整体抗震试验研究  62-80
  3.1 材性试验及结果  62-63
  3.2 试验概况  63-69
    3.2.1 试件设计  63-65
    3.2.2 试验配重  65
    3.2.3 试验装置  65-66
    3.2.4 测点布置和加载制度  66-69
  3.3 试验现象及分析  69-71
    3.3.1 破坏过程及现象  69-70
    3.3.2 破坏模式和机理  70-71
  3.4 试验结果分析  71-76
    3.4.1 滞回曲线  71
    3.4.2 骨架曲线  71-72
    3.4.3 刚度及刚度变化规律  72-73
    3.4.4 最大位移、延性及耗能  73-74
    3.4.5 应变分析  74-76
  3.5 基于底部剪力法抗震性能评估  76-77
  3.6 小结  77-78
  参考文献  78-80
4 门式刚架结构整体抗震性能有限元分析  80-120
  4.1 有限元模型的建立  80-83
    4.1.1 几何模型的建立  80-81
    4.1.2 材料参数和单元选取  81-82
    4.1.3 边界条件和加载形式  82-83
  4.2 有限元模型验证  83-86
    4.2.1 刚架破坏模式对比  83-84
    4.2.2 荷载-位移滞回曲线对比  84-85
    4.2.3 骨架曲线对比  85
    4.2.4 刚度退化曲线对比  85-86
    4.2.5 延性及耗能能力比较  86
  4.3 试验模型原型结构有限元分析  86-90
    4.3.1 结构破坏形式  86-87
    4.3.2 荷载-位移曲线  87-88
    4.3.3 骨架曲线  88
    4.3.4 刚度退化曲线  88
    4.3.5 最大位移、延性及耗能能力分析  88-89
    4.3.6 抗震性能评估  89-90
  4.4 有限元模型参数分析  90-113
    4.4.1 梁翼缘宽厚比  90-94
    4.4.2 柱翼缘宽厚比  94-97
    4.4.3 梁腹板高厚比  97-101
    4.4.4 柱腹板高厚比  101-104
    4.4.5 梁楔率  104-108
    4.4.6 柱楔率  108-111
    4.4.7 承载力与刚度影响参数分析  111-113
  4.5 抗震构造措施有限元分析  113-117
    4.5.1 刚架破坏模式  113-114
    4.5.2 荷载-位移曲线  114-115
    4.5.3 骨架曲线  115-116
    4.5.4 刚度退化曲线  116-117
    4.5.5 延性及耗能能力  117
  4.6 小结  117-119
  参考文献  119-120
5 端板竖放半刚性节点 M-θ模型研究  120-140
  5.1 M-θ模型概况  120-121
  5.2 建立 M-θ曲线模型  121-128
    5.2.1 节点域的变形  122-123
    5.2.2 确定初始刚度 K0  123-127
    5.2.3 极限弯矩  127
    5.2.4 建立 M-θ曲线模型  127-128
  5.3 简化模型与试验比较  128-132
    5.3.1 确定简化模型节点 M-θ曲线  128-130
    5.3.2 建立有限元模型  130-131
    5.3.3 简化模型与试验模型比较  131-132
  5.4 简化模型与有限元模型比较  132-136
    5.4.1 与原型结构比较  132-134
    5.4.2 与有限元参数分析模型比较  134-136
  5.5 小结  136-137
  参考文献  137-140
6 门式刚架结构恢复力模型研究  140-152
  6.1 恢复力模型介绍  140-142
  6.2 骨架曲线  142-145
  6.3 滞回规则  145-147
  6.4 建立恢复力模型  147
  6.5 恢复力模型分析  147-150
    6.5.1 恢复力模型与试验曲线比较  147-148
    6.5.2 骨架曲线  148-149
    6.5.3 刚度退化曲线  149
    6.5.4 耗能能力  149-150
  6.6 小结  150-151
  参考文献  151-152
7 结论与展望  152-156
  7.1 结论  152-154
  7.2 展望  154-156
致谢  156-158
附录  158
  附录一：攻读博士学位期间发表论文  158
  附录二：攻读博士期间参与的科研项目  158

单层单跨变截面门式刚架结构梁柱节点与结构整体抗震性能研究

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