铝合金网壳结构盘式节点整体刚度与变形性能的有限元分析

目的以南京市牛首山佛顶宫铝合金穹顶工程为背景,取其典型节点研究分析,考察铝合金盘式节点的受力性能、破坏模式、极限承载力.方法通过对铝合金盘式节点足尺模型进行静力加载试验,分析了盘式节点整体刚度与变形的性能;采用ABAQUS有限元软件对盘式节点整体刚度与变形性能进行模拟,并与刚性节点性能进行对比.结果铝合金盘式节点试件PS1在节点盘中心承受集中力,当达到极限荷载破坏后,试验与有限元的破坏现象均表现为上节点盘与工型杆件3连接处的节点盘断裂;上节点盘的应力较大,出现明显的马鞍式变形.结论试件PS1的有限元与试验的荷载位移曲线有比较好的吻合;试件PS1的箱型杆件和工型杆件与刚性节点对应杆件相比具有较高的刚度.     

铝合金网壳结构盘式节点受力性能试验

目的研究铝合金盘式节点的抗弯刚度和强度性能,分析盘式节点的受力机理和破坏模态,获取盘式节点在纯弯受力状态下的弯矩-转角曲线及关键部位的应变状态和变形情况.方法对3种不同尺寸的铝合金盘式节点试件进行静力加载试验,结合通用有限元程序ABAQUS对加载过程进行有限元模拟.静力加载试验将试件端部连梁简支,对节点区中心竖向加载,并利用应变片和位移计测量试件关键部位的应变状态和变形情况.结果铝合金盘式节点平面外的抗弯刚度较大,节点延性不高.连梁下翼缘螺栓孔处截面是节点的薄弱部位,破坏形式为脆性断裂破坏,破坏前无明显征兆.结论有限元模型可以较为准确地模拟试验过程,模拟结果与试验结果吻合较好.     

铝合金板式节点受弯滞回性能试验研究

为研究铝合金板式节点的受弯滞回性能,并与静力性能进行比较,完成了4个足尺试件的滞回加载及单调加载试验,并采用通用有限元软件ABAQUS对试验加载全过程进行数值模拟,得到了铝合金板式节点的破坏模式、弯矩-转角关系及耗能能力.采用分配梁对两杆进行对称加载,节点域为纯弯段.研究结果表明铝合金板式节点为典型半刚性节点,根据受力过程可分为弹性阶段、螺栓滑移阶段、孔壁承压阶段和破坏阶段,并得到节点弯矩-转角关系曲线.节点破坏模式为杆件净截面拉断,裂缝由杆件端头最外排螺孔处开始扩展.节点在破坏前无明显预兆,为典型脆性破坏,荷载-位移曲线没有下降段.节点滞回加载的骨架曲线与单调加载曲线接近,但滞回加载过程节点的累积损伤,导致节点延性低于单调加载.增加螺栓数量可改善节点耗能性能,使滞回曲线更加饱满.     

铝合金网壳结构盘式节点受力性能有限元分析

本文以铝合金盘式节点试件受跨中集中荷载作用的静力加载试验数据为基础,利用ABAQUS对3种不同尺寸的铝合金盘式节点进行了非线性有限元数值分析,并对盘式节点与刚性节点的受力性能进行了对比.分析表明:节点受跨中集中荷载作用时,作用在节点盘上的力通过螺栓群的作用传递给杆件,试件对向工字型杆件上、下翼缘最后排螺栓孔处及与之相接的腹板底部先形成塑性区,杆件下翼缘螺栓孔处由于开孔削弱截面,发生显著塑性变形而被拉断,节点破坏模式与实际试验破坏模式相同;节点强度达理想刚性节点的80.68%~86.42%,刚度达理想刚性节点的60.10%~67.73%,应力分布相似.基于上述静力试验和有限元分析结果,铝合金盘式节点在工程设计和计算中可作为半刚性节点,具有足够的工程强度和刚度.     

铝合金板式节点初始刚度

铝合金板式节点变形分为节点板中心区域变形、节点板与杆件错动以及杆件自身变形三部分.对铝合金板式节点的受弯机理进行分析,得到节点初始弯曲刚度公式.在试验基础上,分析试件的抗弯性能,得到弯矩-转角曲线.采用ABAQUES软件对节点进行数值模拟,数值结果与试验结果吻合较好.通过参数分析得知节点板厚度、杆件截面高度、螺栓数量及节点板半径对节点初始弯曲刚度的影响.最后将理论结果分别与数值结果和试验结果进行比较,验证了公式的合理性.     

铝合金板式节点受弯承载力试验研究

从理论上提出了铝合金板式节点在面外弯矩作用下的抗弯承载力计算公式.进行了4个铝合金板式节点试件试验,其中3个试件只承受面外弯矩,一个试件同时承受面外弯矩和剪力,得到了板式节点的受力性能,归纳了板式节点在面外弯矩作用下和弯剪联合作用下的破坏模式主要为:杆件受弯破坏、节点板块状拉剪破坏和节点板的屈曲破坏.通过试验数据分析,得出了反应撬力对其极限承载力影响的折减系数k1的取值范围,并验证了承载力计算公式的准确性.针对4个板式节点试件的试验,采用ABAQUS有限元软件建立了有限元数值分析模型,分析了其极限承载力,补充和完善了试验研究.     

端板与柱间灌浆层对端板连接RCS节点抗震性能影响的试验研究

为研究端板与柱间灌浆层对端板连接RCS节点抗震性能的影响,以端板与柱间灌浆层厚度、灌浆层强度以及螺栓预拉力为主要研究参数,进行了4个端板连接RCS节点试件的低周反复加载试验.基于试验数据,研究了各试件的破坏形态、滞回性能、承载能力、刚度退化规律、延性、耗能能力和变形组成等.试验结果表明:强柱弱梁型端板连接RCS节点的破坏形态为梁铰破坏机制,灌浆层出现压碎脱落现象,整个受力过程中钢梁端板、灌浆层和柱面之间连接紧密,未出现滑移现象,端板和RCS节点之间的连接和传力可靠,表现出良好的受力性能.各试件滞回曲线呈梭形,梁端塑性铰充分耗散能量,具有较好的抗震性能;反复荷载作用下端板与柱间灌浆层的损伤累积导致节点延性和耗能能力降低,其降低幅度随灌浆层损伤程度增加而增大;各试件刚度退化规律基本一致,灌浆层的损伤累积导致刚度退化加剧;节点的变形主要来自钢梁的变形,在整个加载过程中,各试件端板连接变形较小,在极限位移角时,试件RCS1、RCS3和RCS4由端板连接变形引起的位移所占比例分别为1.5%、1.8%和2.7%.各试件弯矩-转角关系曲线呈现出明显的非线性特征,试件RCS1～RCS4按刚度分类均属于半刚接节点,节点初始转动刚度随灌浆层厚度增加而提高,但提高幅度有限.     

薄钢板组合截面PEC柱(强轴)-钢梁(BRS)组合框架抗震性能数值模拟

为研究薄钢板PEC柱-钢梁组合框架的抗震性能,针对1榀2层单跨对穿螺栓端板连接薄钢板组合截面PEC-削弱截面钢梁组合框架结构试验试件,采用有限元软件ABAQUS对其进行水平循环往复荷载下的数值模拟.基于模拟结果,对试件结构滞回特性、水平抗侧刚度、耗能延性和破坏模式等进行分析.研究表明:试件结构具有较高承载力和较大的抗侧刚度;试件层间变形为剪切型变形模式;试件耗能能力主要由梁端削弱截面屈服和PEC柱脚钢构架屈服与混凝土压溃提供,端板对穿螺栓连接及梁端削弱截面实现了梁端塑性铰区远离节点区;试件最终破坏模式为梁端削弱截面和PEC柱脚处形成塑性铰的塑性破坏机构.该结构体系具有良好的抗震延性.     

T形件螺栓连接卷边PEC柱-钢梁组合框架结构抗震试验研究

为研究T形件螺栓连接卷边钢板组合截面PEC柱-钢梁组合框架结构的抗震机理,设计制作了一榀底部两层单跨组合框架1/2缩尺试件并进行水平低周往复荷载试验.基于试验现象和测试数据,从试件结构的滞回特性、水平抗侧刚度退化、节点性能、耗能能力与抗震延性、塑性机构发展进程与延性破坏模式等性能进行分析.研究结果显示:T形件螺栓连接增大了梁柱节点刚度,改善了结构的整体性,试件的初始抗侧刚度较大、极限承载力较高;T形件螺栓连接使得梁端塑性铰形成位置远离节点区,试件滞回曲线较为饱满,试验结束对应承载力未出现明显降低,且对应整体侧移角、位移延性系数和等效黏滞阻尼系数表明试件具有良好的抗倒塌能力、抗震延性与耗能能力;T形件螺栓连接PEC柱-钢梁组合框架试件塑性破坏机构发展进程为T形件端部梁截面和PEC柱脚相继形成塑性铰,实现了框架结构的理想延性耗能模式.     

钢梁-混凝土柱单剪板连接节点的抗震性能

对3个钢梁-混凝土柱单剪板连接节点进行低周反复荷载加载试验,探讨螺栓配置和锚筋数量对其破坏形态和极限承载力等受力性能的影响.结果表明:钢梁-混凝土柱单剪板连接节点具有良好的抗震性能,3个节点试件的位移延性系数为5.5～6.0,符合抗震设计的延性要求.在最大荷载时,3个试件的等效黏滞阻尼系数为0.32～0.37,耗能能力强.高强螺栓群的嵌固作用使得节点能承受一定的弯矩.设计钢梁-混凝土柱单剪板连接节点的预埋件时,忽略节点的约束弯矩将导致节点存在安全隐患,降低结构的抗震性能.因此设计锚筋时,应同时考虑弯矩、剪力和轴力的共同作用.     

双钢板-混凝土短肢组合剪力墙抗震性能试验

对4个双钢板-混凝土短肢组合剪力墙试件进行了试验,考虑了单调、循环两种加载方式以及1.0、2.0两种剪跨比,研究了该类墙体的破坏模式、延性、刚度、承载力、耗能等抗震性能指标.试验结果表明:组合剪力墙在加载过程中经历了混凝土的开裂和压溃、钢板的屈曲和屈服甚至断裂,其破坏模式属于典型的弯曲控制型破坏;组合剪力墙的位移延性系数均超过3.0,试件具有较好的变形能力;剪跨比为2.0的组合剪力墙具有更好的延性;循环加载组合剪力墙表面钢板的屈曲和混凝土的严重损伤,致使其耗能较差;循环加载组合剪力墙的极限荷载、延性系数较单调加载组合剪力墙均降低10%以上.提出限制表面钢板屈曲的优化建议.     

装配式钢质铰连接节点中承载-消能金属板滞回性能试验

为了提高装配式混凝土框架节点及其连接的抗震性能,提出一种易装配、可更换的装配式节点钢质铰连接.钢质铰由上下承载-消能金属板、高强钢腹板与销轴连接件等拼装构成.承载-消能金属板的力学特性是钢质铰及其装配式节点传力与塑性耗能的关键所在.为此,开展不同开孔削弱的5个承载-消能金属板试件轴向往复加载试验,考察其破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、承载力退化、刚度退化、耗能能力及延性等指标.结果表明:承载-消能金属板在开孔截面最大削弱处开裂或断裂,实现了失效模式可控;约束钢套筒有效地约束了内核心板受压屈曲变形,使其滞回曲线饱满,具有良好的耗能能力与延性性能,且强度退化不明显;相比菱形削弱的承载-消能金属板,椭圆形削弱的金属板总体性能更优.     

竹集成材-钢填板螺栓节点受力性能研究

为研究梁柱式竹集成材-钢填板螺栓连接节点在弯剪复合作用下的受力机制及破坏模式，设计并制作了4组共12个梁柱螺栓节点试件，以梁柱间隙及螺栓布置为主要参数，对其进行单调加载试验．试验和计算结果表明：梁柱间隙对螺栓节点弯矩-转角曲线影响显著，当梁柱间隙为20 mm时，螺栓节点出现明显的平台段，考虑梁柱挤压区对承载力的正向作用，曲线出现二次增长现象；随着梁柱间隙的增加，初始刚度、峰值弯矩及延性系数等逐渐降低，破坏形态为梁端顺纹劈裂同时螺栓孔壁承压破坏，螺栓出现单铰屈服模式；基于视频图像相关性(VIC-3D)分析得到在加载过程中螺栓节点区域旋转中心不断变化，并给出了螺栓节点破坏发展过程；建立了梁柱节点初始刚度及预测的弯矩-转角曲线模型，具有较好的适用性．     

新型PEC柱——钢梁端板连接组合框架抗震机理数值模拟

为了研究新型卷边PEC柱—钢梁组合框架的抗震机理,本文针对1榀两层单跨设置预拉对穿螺栓短端板连接新型卷边PEC-钢梁组合框架结构试验试件,采用商业有限元软件ABAQUS对其进行水平循环往复荷载下的抗震性能数值模拟。基于模拟结果,对试件结构滞回性能、水平抗侧刚度、耗能能力、节点连接力学性能、层间传力机理和破坏机构等方面抗震性能进行分析。研究表明:试件结构具有较高承载力和较大的抗侧刚度,且加载初期两层初始抗侧刚度差异明显,随着加载损伤进程的发展其差异不断减小;试件结构水平力作用引起的倾覆弯矩受压侧下层PEC柱承担层间水平总剪力58%,而上层PEC柱平均分担层间剪力,且试件层间侧移变形表现为剪切型变形模式;试件耗能能力由梁端端板附近截面屈服和PEC柱脚钢构架屈服与混凝土压溃提供,且上下层耗能分布基本均匀;PEC柱与钢梁端板预拉对穿螺栓连接具有较强的转动能力,且端板预拉对穿螺栓形成了节点区混凝土斜压带传力模式和提供了节点连接部分自复位功效;试件最终破坏模式为梁端附近截面充分屈服和PEC柱脚部位钢构架屈服与混凝土压溃形成塑性铰的塑性破坏机构,对上下层层间侧移和节点连接转角分别为0.051 rad、0.042 rad和0.045 5 rad,均超过大震对应层间侧移限值1/30的要求,即该试件结构具有良好的抗震延性。     

装配式方钢管柱桁架梁连接节点试验研究

为研究装配式方钢管柱桁架梁连接节点的力学性能,对两个足尺的试件分别进行了单调加载与往复加载试验,并对不同加载方式下的梁柱节点的力学性能进行对比,深入分析了该节点的破坏模态、承载力、延性等指标。结果表明两种加载方式下的节点破坏都始于腹杆,终于弦杆撕裂。可得出单调加载下的梁柱连接节点延性大于滞回加载下的延性,往复加载下的梁柱连接节点更容易进入屈服,且进入屈服后刚度退化较快的结论。在加载过程中节点域并未发生破坏,满足"强节点,弱构件"的抗震设计原则。     

方钢管混凝土柱与工字钢梁竖向加劲式节点拟静力试验研究

为了解方钢管混凝土柱-工字钢梁竖向加劲肋式节点的抗震性能,对两个方钢管混凝土柱-工字钢梁竖向加劲肋式节点试件进行了拟静力加载试验,研究了节点在反复循环荷载作用下的滞回性能、耗能能力、延性、应力分布和传力机制.试验结果表明,节点具有足够的承载力以及较好的延性和耗能能力,竖向加劲肋式节点的梁端弯矩大部分通过竖向加劲肋传递给柱钢管腹板和核心混凝土,另一部分梁端弯矩由梁端翼缘直接传递给柱钢管翼缘和核心混凝土.节点破坏模式为靠近竖向加劲肋端部的梁翼缘出现严重的局部屈曲,梁翼缘变截面最窄处形成塑性铰,而柱钢管、竖向加劲肋、梁端部均在弹性范围内工作,很好地实现了强柱弱梁、强节点弱构件的抗震原则.     

L形FRP粘贴法加固混凝土框架梁负弯矩区试验研究

提出了一种混凝土框架梁负弯矩区受弯性能加固的L形FRP片材粘贴加固法,该方法利用角钢实现FRP在梁柱阴角处的转向锚固.通过6个足尺框架梁柱边节点试件的单向静力加载和低周反复加载试验,对比了利用L形FRP粘贴加固法和规范建议FRP粘贴加固法加固后梁的破坏形态、受弯承载力、刚度、延性、耗能能力等性能指标.试验结果表明,粘贴L形FRP片材加固后,梁根部FRP与试件相应位置截面在加载过程中变形协调,应变关系基本符合平截面假定.低周反复荷载作用下,梁受弯承载力和刚度的提高幅度与静力荷载作用下几乎相同,表明L形FRP粘贴加固法中的锚固装置完全限制了阴角处FRP片材从被加固体基面上法向剥离的位移趋势,使得加固效果更加稳定.     

胶合木双肢柱框架结构螺栓连接节点力学性能试验研究

为了研究胶合木双肢柱螺栓连接节点的力学性能,设计一种胶合木双肢柱框架节点,对12个节点试件进行单调加载(8个试件)和低周反复加载(4个试件)试验,探讨螺栓直径、螺栓数量及梁端外包钢板加强等因素对框架节点的破坏形式、承载力和耗能能力的影响.研究结果表明:随着螺栓直径增大,节点由延性破坏转变为脆性破坏,承载力提高,刚度增大...     

钢-混凝土预制混合梁受弯性能试验研究

为研究两端固支边界条件下钢-混凝土预制混合梁(简称预制混合梁)的受弯性能,以钢梁长度、受弯承载力比和线刚度比为主要参数,进行了4个预制混合梁和1个普通预制混凝土梁试件的静力加载试验,研究了各试件的破坏模式、承载力、刚度、延性、挠度曲线和应变分布等.试验结果表明:所有试件均发生受弯破坏,其中预制混合梁的受弯破坏有两种模式,一是中部混凝土梁端和跨中截面形成塑性铰,二是梁端钢梁截面和跨中混凝土梁截面形成塑性铰.预制混合梁表现出良好的整体工作性能,连接节点在受力过程中始终保持较好的整体性.基于连接节点假定为刚性节点的应变分析结果与试验结果吻合较好,连接节点能有效传递钢梁和混凝土梁之间的应力,可视为刚性节点.钢梁长度、受弯承载力比和线刚度比的增加均可提高预制混合梁的承载力和延性,其中增加受弯承载力比的效果更显著.与普通预制混凝土梁相比,预制混合梁的初始刚度小,跨中挠度大,但其强屈比较普通预制混凝土梁提高约4%～15%,预制混合梁具有更好的屈服后弹塑性变形能力,有利于耗能.最后,基于虚功原理建立了两端固支边界条件下预制混合梁的极限荷载计算式,计算值与试验值比值的平均值为1.0,变异系数为0.04,计算值与试验值吻合较好.     

新型PEC柱(强轴)-钢梁(BRS)端板连接组合框架中间层抗震机理数值模拟

以端板预拉对穿螺栓连接的卷边钢板组合截面PEC柱(强轴)-钢梁(削弱截面)组合框架中间层子结构试验试件作为研究对象,利用有限元软件ABAQUS对其进行拟静力循环荷载下抗震机理的数值模拟.基于模拟结果,对比分析试件结构的承载力、抗侧刚度衰减、连接性能、耗能能力、剪力分配、变形模式、节点传力和破坏机构等抗震性能.结果显示:试件具有较大的承载能力、较高的初始抗侧刚度和优越的耗能能力;PEC框架柱平均分担层间水平剪力,层间变形表现为剪切型变形模式;预拉对穿螺栓设置使得连接表现出一定程度的自复位功效,而梁截面削弱进一步改善了连接的转动能力和试件整体耗能延性;试件最终破坏模式为所有梁端削弱截面处形成塑性铰的塑性倒塌机构,且形成对应层间侧移角和连接转角均超过中震层间侧移限值1/50,表明该结构体系具有良好的抗倒塌性能.