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地震弹性预制梁柱交叉接头的抗震性能
张爱玲1,3，吴颖霞1，姜自勤1,3，张旭桥2，窦道4
（1北京工业大学建筑与土木工程学院，北京100124）
（2中国建筑工程公司，北京100029）
（3北京市高层大跨度预应力钢结构工程研究中心，北京100124）
（4北京交通大学土木工程学院，北京100044）
E-mail: jzqbj2010@163.com
2017年7月13日收到; 2017年8月13日修订; 2017年11月17日检查
摘要：抗震结构已成为地震研究的热点。基于损伤控制的概念，本文提出了一种新型的抗震预制梁柱十字接头（ERPCJ）。强震发生后，接头的功能可以迅速恢复，因为损伤主要集中在可更换的连接部件上。首先解释ERPCJ的结构和优点，并确定其抗震设计要求。然后，提出ERPCJ设计背后的理论，并用8个ERPCJ模型进行数值模拟验证。考虑到法兰盖板中薄弱轮廓的影响，法兰盖板的厚度和强度，中间螺栓之间的距离，以及中间螺栓之间的间隙，ERPCJ的滞回性能采用有限元法（FE）梁和螺栓孔的形状。最后，对基础试件进行循环加载和修复试验，验证设计理论的合理性。研究了接头的抗震性能和抗震后的回弹性能。数值分析和实验表明，所提出的设计理论能准确预测ERPCJ的屈服载荷。设计合理的ERPCJ应具有良好的承载能力，抗倒塌能力，抗震性能和抗震后的恢复能力。法兰盖板的厚度和强度，中间螺栓之间的距离以及梁之间的间隙对接头的抗震性能有很大的影响，因此应进行适当的设计。
关键词：地震回弹 法兰盖板 弱化简介 设计理论 滞后行为
http://dx.doi.org/10.1631/jzus.A1700358
中图分类号：TV5
通讯作者
国家重点基础研究发展计划（编号：2016YFC0701504），国家自然科学基金（编号51608014），北京市自然科学基金（编号：8174060），国家自然科学基金项目 中国博士后科学基金（2017T100020）
ORCID：Zi-qin JIANG，http://orcid.org/0000-0001-9613-3972
copy;浙江大学和Springer-Verlag GmbH德国2017
1、介绍
预制钢结构具有诸如设计标准化，在不同地点的工厂生产的可行性以及施工现场组装容易等优点。 它们可以显着减少劳动力需求并缩短施工时间。 预制已成为钢结构发展的新趋势（Zhou et al.，2005; Zhang. AL .et al.，2014; 2016; 2017; Liu et al.，2015a; 2015b; Jiang et al.，2017a; 2017b）。这种结构可以完全预制以便于现场的安装和拆卸过程。 然而，如果预制梁柱接头的构造和设计不正确，接头的失效模式可能与螺栓焊接接头的失效模式相同，其中全局失效模式主要发生在接头处区。这将使地震后的预制钢结构的修补和加固与传统钢结构类似; 因此，地震的复杂性将无法实现。 一个适当设计和设计的预制梁柱接头可以将梁或柱中发生的失效转移到可更换部件上。 在地震发生后，只需要更换损坏的部件就可以恢复结构，从而提高抗震和抗震功能。 地震弹性已成为地震研究中的一个重要课题（Cimellaro等，2010; Lv等，2011; Zhang等，2013; Chen等，2016; Lu等，2016）。
许多研究人员对悬臂梁梁柱节点进行了广泛的研究。 Plaud和Vogeltanz（1997）是第一个提出狗骨关系概念的人。在距离梁端一定距离处切割梁法兰的一部分会使塑料铰链远离焊缝，并且会在连接处发生延性破坏。 Wu等人通过数值分析和反向循环加载方法对全混钢方柱钢柱与钢梁之间的全螺栓连接进行了分析。（2005）提出了一种计算接缝板刚度，屈服抗剪强度和极限抗剪强度的方法。 Kim和Oh（2007）通过非线性有限元（FE）研究了箱型柱对节点有效性的影响，并将结果与H型柱节点的结果进行了比较）分析五个联合模型。陈等人。（2006）对8根横隔板梁柱节点进行了滞回试验，结果表明，这种节点类型符合当前抗震设计规范的要求。 Di Sarno等人。（2003年; 2006年）认为，不锈钢的应用改善了梁柱连接在抗弯矩框架中的响应。 Li等人（2007）对低反向循环载荷下的三种全尺寸十字形横隔板式梁柱节点试件进行了准静态试验。报道了这种类型接头的抗震性能，涉及强度，变形和能量耗散。张Y.X.等人。（2014）通过实验和数值研究评估了加强梁末端和减弱梁翼缘的接头的性能。他们的结果显示该接头可实现塑料铰链远离焊缝的移动，从而保护梁端的焊缝。这种类型的接头也具有良好的塑性转动能力和消能能力。 Jeddi等人（2016）提出了一种新的直肋加强梁连接，并测试了四个半尺寸十字形标本。结果表明，连接件具有良好的延性和耗能能力。 El-Khoriby等人（2017）建立了循环载荷下钢制梁柱连接的简化有限元模型，有限元分析结果与循环加载端板连接的试验结果吻合良好。进一步对承载力，初始刚度，滞回特性和耗能能力进行了比较和讨论。
在抗震领域，Oh等人（2009）在梁柱节点处安装了金属狭缝阻尼器以保护梁和柱，因此塑性变形仅集中在狭缝阻尼器处。 试验结果表明，接头具有良好的抗震性能。 Calado等人（2013）使用新的熔断器装置对12个复合接头进行了循环加载测试。 结果表明，接缝的地震反应良好，可以防止梁柱发生塑性变形。 主要结构可以在地震后更换保险丝装置进行修理。 吕（2016）在钢筋混凝土结构中引入了可更换的连梁应用，并对整个结构进行了动态分析。 通过环境振动测试验证的结果表明，可更换的连接梁具有良好的抗震性能，这是通过集中可更换部件的损坏来实现的。
悬臂梁中的传统梁柱节点通常使用两个法兰盖板进行连接，加强板固定在梁端以将塑料铰链从焊缝移开。 但是，这种布置会由于多次焊接而导致复杂的应力场，并且使地震后难以恢复结构。 因此，本文提出了一种新型的抗震预制梁柱十字接头（ERPCJ）（图1）。 通过合理的设计，ERPCJ可以将塑性变形的位置转移到可更换部件上，从而保护主构件处于弹性状态。 可以通过更换塑料板和螺栓来恢复功能，然后满足抗震要求。
图1抗震预制梁柱十字接头（ERPCJ）
在本文中，我们首先阐述ERPCJ的结构和优势，并建立它的地理设计要求。 然后，提出ERPCJ设计背后的理论，并用8个ERPCJ模型进行数值模拟验证。 使用有限元方法研究ERPCJ的滞后行为。 最后对基础试件进行循环加载和修复试验，验证了设计理论的合理性。 研究了接头的抗震性能和抗震后的回弹性能。
2、ERPCJ的构成，优点和地震设计要求
2.1 ERPCJ的构成和优势
ERPCJ由带悬臂梁，普通梁和可更换连接件的圆管钢柱组成。 可以在工厂制造带悬臂梁和普通梁的圆形钢管柱，并通过将法兰和腹板与盖板和高强度螺栓连接（图2），快速安装在施工现场。 这种设计具有以下优势和特点，便于工厂生产，便于在施工现场进行组装：
1.单盖板连接使下法兰盖板作为普通梁的支撑，从而使施工现场的安装更加方便。
2.只需加厚环形挡板并在法兰盖板上安装弱化型材即可将塑料铰链转移到接头外部，并可将其转移到可更换的连接部件上。
3.接头通过盖板的塑性变形和摩擦滑动消散能量。 它可以确保在柱和梁中发生很小的损坏，因此只需在地震发生后更换可更换的连接件就可以恢复结构。
图2 ERPCJ的组装细节
2.2 ERPCJ的抗震设计要求
ERPCJ应该满足以下设计要求：
1. ERPCJ的普通梁部分不应在正常使用条件下滑动。说明在小震作用下，螺栓的抗剪承载力应大于ERPCJ法兰盖板上的轴力。这个概念可以用来设计ERPCJ的螺栓（Zhang等，2017）。
2.在小地震下ERPCJ不应有任何损坏。跨度Psby上的普通梁的屈服载荷。此时，预制梁柱十字接头应处于弹性状态。
3.ERPCJ不应在强烈地震下崩溃。这意味着即使关节旋转，关节仍然具有良好的承载能0.02拉德（SAC，2003）。此外，梁端荷载P与ERPCJ的极限承载力之比（Pmax）应始终大于0.8。
4. ERPCJ的塑料损坏应该被控制主要集中在可更换部件上，不仅在梁端P的载荷达到其极限容量时保持弹性状态。只有损坏的部件在地震后需要更换，从而提高了抗震功能.Pmax，而且当ERPCJ的旋转角度theta;达到0.02rad时。因此，所有主要成员都会保持弹性状态。地震发生后，只有损坏的部分需要更换，从而提高抗震功能。
3、ERPCJ的设计理论
法兰盖板的设计直接影响ERPCJ是否能够满足抗震设计要求（Zhang等，2017）。由于法兰盖板用于组合截面的整体弯曲，其应力应满足公式（1）：
其中Lsb和hb分别是公共光束的长度和高度（图3）; Icov是组合截面A的惯性力矩，放弃腹板盖板的影响; chi;1是A部分的刚度修正系数，等于1.2，它考虑了螺栓结合效应的影响; tcov.f和fcov.y分别是盖板的厚度和屈服强度。此外，压缩法兰盖板应符合稳定轴承要求
其中phi;cov和Acov是稳定系数（SAC，2003）和法兰盖板的区域。 Ncov.y是法兰盖板上的轴向力，可通过计算得出
其中eta;1是截面力矩的分布系数，等于0.9。
如果sigma;zt和sigma;jb很小，普通光束可能在盖板之前损坏。 因此，sigma;zt和sigma;jb之间的较大值应接近fcov.y; 换句话说，方程的要求。（4）应该符合：
一旦tcov.f被确定，屈服载荷Py可以以相同的方式获得，其由下式给出
Lcb是悬臂梁的长度，lbo.m是中间螺栓距离，Lg是梁之间的间隙。
图3 ERPCJ的示意图
4、有限元模型
设计了8个ERPCJ用于研究法兰盖板中减弱轮廓的影响，法兰盖板的厚度（tcov，f）和强度，中间螺栓距离lbo，m，梁Lg之间的间隙以及螺栓孔形状对ERPCJ的能量耗散能力和滞回性能的影响。 ERPCJ被分为四组。圆形管状钢柱为尺寸为377 mmtimes;16 mm的管道。接头区域的部分是尺寸为377mmtimes;20mm的管道。普通光束的截面为300mmtimes;200mmtimes;6mmtimes;12mm。为了满足抗震性能的要求，悬臂梁截面加强了300 mmtimes;200 mmtimes;12 mmtimes;20 mm的截面。柱的长度，悬臂梁Lcb的长度和公共光束Lsb的长度分别为3000mm，512mm和1400mm。本研究考虑了三种类型的法兰盖板（图4）：无弱化板，圆弧形狗骨形削弱板，以及直线狗骨形削弱板。这三种类型分别标记为X1，X2和X3。代号为K1的部件名称表示普通梁上的螺栓孔和悬臂梁腹板中间的螺栓孔是圆形的，而悬臂梁中的其他孔是长的，（图5）。 K2表示螺栓孔上悬臂梁和普通梁是圆形的。关节的其他相关参数列于表中表1.在各种型号中，型号SJ3是基本标本设计使用理论中提出的这张纸。其几何形状和其他细节如图5所示。
上述八种ERPCJ模型使用ABAQUS建模（图6）。 所有成员都使用固体元素C3D8R进行建模。 弹性模量是206 GPa。 法兰盖板和其他钢板的屈服强度分别为235 MPa和345 MPa，硬化模量为2％弹性模量（Jiang et al.，2015; 2017a; Zhang et al.，2017）。 每个成员在厚度方向上被分成两个单元，大约有29万个单元。接触关系设置在悬臂梁和法兰盖板和螺栓之间，以及普通梁和法兰盖板和螺栓之间。悬臂梁和钢柱之间提供了一个约束约束。这些试样使用10.9级高强度摩擦螺栓，预张力设为190 kN。在板之间的界面上考虑了0.45的摩擦系数（SAC，2003）。钢柱的末端设置了刚体条件。铰接的边界条件设置在刚体的中心点，施加在端柱上的轴向压缩比为0.3。分析中限制了光束的面外变形。在公共光束两端设置反对称位移约束来模拟ERPCJ上的载荷。加载规律如图7所示。为了观察关键点处的变形和每个构件的应力分布，对观测点和应力分布路径进行编号（图6）。其中有以下关键观察点：A点，位于法兰盖板上靠近悬臂梁一侧的狗骨截面; B点在法兰盖板上的狗骨形截面上靠近公共梁侧;点C，在法兰盖板的端部，靠近悬臂梁一侧;点D在悬臂梁上，其位置对应于C点的位置; E点在法兰盖板的端部，靠近公共梁侧;点F在共同梁上，其位置对应于点E的位置。路径1是悬臂梁上法兰上表面上的纵向中线。路径2是上法兰盖板下表面的纵向中线。路径3是普通梁上翼缘上表面的纵向中线（Zhang et al.，2017）。
表1样品的参数
|
模型 |
法兰盖板的材料 |
|||
|
X1-K1-SJ1 |
16 |
20 |
320 |
Q235B |
|
X2-K1-SJ2 |
16 |
20 |
320 |
Q235B |
|
X3-K1-SJ3 |
16 |
20 |
320 |
Q2 全文共15387字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[14470]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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