呼和浩特CZ型鋼
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內蒙古雙肢冷彎薄壁C型鋼框架抗震性能研究:

2019-12-05

內蒙古C型鋼在發展可持續綠色建筑和國家住宅產業化的大環境下,冷彎薄壁型鋼結構已經應用到眾多結構中。雙肢冷彎薄壁C型鋼內夾鋼板是一種可以提高構件承載能力的組合截面,但《低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術規程》(JGJ227-2011)并沒有對這種截面進行相關規定。雖然已有學者對這種截面形式的節點進行了研究,但框架的抗震性能研究還很少。 本文進行了五榀雙肢冷彎薄壁C型鋼框架的擬靜力試驗,分析了框架的受力性能和破壞形態,得到了框架的滯回曲線、骨架曲線、應變隨水平荷載的變化曲線和塑性鉸出鉸順序,研究了框架的墊板厚度和梁柱線剛度比等參數對框架的滯回性能、承載力和剛度及其退化、延性和耗能性能等抗震性能指標的影響。呼和浩特CZ型鋼運用ANSYS軟件對擬靜力試驗框架進行了有限元往復循環加載計算,得出框架的滯回曲線和破壞形態與試驗框架進行對比,驗證了應用有限元方法分析雙肢冷彎薄壁C型鋼框架抗震性能的可靠性。 選取C型鋼厚度、C型鋼翼緣寬厚比、柱C型鋼腹板高厚比和梁C型鋼腹板高厚比等參數,計算了九榀框架模型,得到了冷彎薄壁C型鋼、墊板和高強螺栓在各受力階段的應力云圖,分析了模型受力性能和破壞形態;得到了模型的滯回曲線和骨架曲線,研究了各參數對框架的滯回性能、承載力和剛度及其退化規律、延性和耗能性能的影響。 通過試驗研究及有限元分析,發現該類框架結構抗震性能較好,破壞形態符合抗震設計要求,塑性鉸出鉸順序為加載遠端梁端→加載遠端柱腳→加載近端柱腳→加載近端梁端,承載力和剛度退化穩定,內蒙古C型鋼位移延性系數在2.47~5.16之間,等效粘性阻尼系數在0.16~0.45之間,增加C型鋼厚度和降低梁柱線剛度比可以改善框架抗震性能。建議在框架設計時,梁柱線剛度比取0.481以上,采用8.8級M20摩擦型高強螺栓,墊板厚度與C型鋼尺寸進行匹配計算,保證強節點弱構件設計即可。近年來冷彎薄壁型鋼以其優越的性能受到了國內外工程界的普遍關注,目前正在被越來越廣泛地應用到建筑領域。本文利用大型通用有限元軟件ANSYS對冷彎薄壁型鋼梁柱節點的受力性能進行有限元模擬,采用的節點形式為:梁、柱由冷彎薄壁C型鋼以背靠背的形式組合而成,雙肢C型鋼之間每隔一段距離用熱軋鋼板內插連接,內插的熱軋鋼板與雙肢C型鋼用摩擦型高強螺栓連接,節點區熱軋鋼板與梁、柱的連接選用八顆螺栓。 本文用ANSYS建立了一個考慮接觸的雙拼冷彎薄壁C型鋼梁柱節點模型,并與試驗結果進行對比,驗證了有限元模型的正確性。然后用此種建模方法建立了72個考慮C型鋼厚度、截面尺寸、節點板厚度和螺栓間距的雙拼冷彎薄壁C型鋼梁柱節點模型,進行單調加載,對節點的破壞模式、應力變化、初始剛度和極限彎矩進行了分析。研究表明:破壞模式有兩種,分別為螺栓孔附近板的承壓破壞和C型鋼梁彎曲破壞;極限彎矩隨著螺栓間距、節點板厚度和C型鋼厚度的增加而增加,其中C型鋼厚度對極限彎矩的影響大,節點板厚對極限彎矩的影響Z小;初始剛度隨著螺栓間距、節點板厚度和C型鋼厚度的增加而增加,內蒙古C型鋼三者對初始剛度均有較大影響。Z后給出節點設計建議如下:針對所研究的C型鋼尺寸,建議節點板厚度取8mm~10mm,螺栓間距取200mm~220mm。 基于對冷彎薄壁C型鋼梁柱節點的分析,建立了兩種彎矩—轉角模型,分別為冪函數模型和線性模型。其中冪函數模型較精,但是形式復雜;線性模型較簡單,結果偏于安全,但是模型精度有待提高。 對部分節點進行循環加載,分析了節點的滯回性能。研究表明:此類節點的延性一般,耗能性能良好;隨位移控制加載級別的逐級增加,剛度退化明顯;節點加腋對耗能性能有一定影響,對大承載力影響不大。

針對雙肢冷彎C型鋼背靠背加墊板的截面形式,選取常用的屋檐斜節點作為研究對象,呼和浩特彩板鋼構采用試驗與有限元相結合的方法分析了15個斜節點試件,發現該類節點具有良好的抗震性能和較高的極限承載能力,得到了節點板厚度、螺栓間距、C型鋼厚度和腹板高度等因素對斜節點抗震性能的影響情況。斜節點可能發生梁C型鋼彎曲屈曲和節點板彎扭屈曲兩種破壞形態,而節點板厚度是影響斜節點破壞形態的主要因素。隨著C型鋼厚度及高度、螺栓間距的增大,斜節點極限彎矩承載力和初始剛度增大,C型鋼高度影響程度大。建議設計時節點板厚度的取值不小于6mm,螺栓間距在11d0~13d0。Z后,分析了16個斜節點正交試件,內蒙古C型鋼通過數值分析得到了斜節點半剛性特征值與節點參數之間的設計表達式,可供設計時參考。

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