大型单列式主厂房钢骨混凝土边节点抗震性能研究.pdf
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1、第 3 1 卷第 2期 2 0 1 4年 6月 土木工程与管理学报 J o u rna l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t Vo l _ 3 1 No 2 J u n 2 0 1 4 大型单列式 主厂房钢 骨混凝土边节点 抗震性 能研究 刘元文 , 魏文飞 , 甘来 ( 1 武汉工大建筑工程公司,湖北武汉4 3 0 0 7 0 ; 2 武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室,湖北武汉4 3 0 0 7 0 ) 摘要: 本文对某一单列式厂房中的顶层边节点抗震性能进行了研究。该节点钢梁截面高度很大, 且为
2、刚性连 接形式, 对结构抗震不利。根据工艺和施工需求 , 顶层边节点设计成梁贯通节点连接形式。根据实验室的设备 条件和实际节点尺寸, 针对此单列式厂房中的顶层梁贯通节点, 设计和制作了 1 : 3缩尺节点模型, 进行了梁端 低周期往复加载试验, 得到了节点试件的破坏过程、 破坏形态、 试件的滞回曲线和骨架曲线。并采用 A B A Q U S 软件对试验节点模型进行了非线性有限元分析。对 比试验数据进行抗震性能分析, 结果表明: 本文所研究的钢 骨混凝土柱- 钢梁节点具有较高的承载力, 满足原结构的设计要求 , 并有较大的安全储备, 但位移延性系数和耗 能能力相对较差。试验和理论分析结果基本吻合
3、。 关键词: 钢骨混凝土; 节点核心区; 滞回曲线 ; 梁贯通 中图分类号: T U 3 1 1 3 文献标识码: A 文章编号: 2 0 9 5 - 0 9 8 5 ( 2 0 1 4) 0 2 - 0 0 2 3 4 ) 6 S e i s mi c P e r f o r ma n c e s o f t h e Ex t e r i o r J o i n t s o f La r g e I nl i ne P l a n t Us i ng S t e e l Re i n f o r c e d Co nc r e t e S t r uc t ur e L U Y u a n
4、w e n ,W E I We n -f e i , G A N L a i ( 1 Wu h a n G o n g D a C o n s t r u c t i o n E n g i n e e ri n g C o m p a n y ,Wu h a n 4 3 0 0 7 0, C h i n a ; 2 Hu be i Ke y L ab o r a t o r y o f Ro a d Brid g e a nd St r u c t u r e En g i n e e rin g, Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l
5、 o g y , Wu h a n 4 3 0 0 7 0, C h i n a ) Ab s t r a c t : T h e s e i s m i c p e r f o r ma n c e s o f t h e e x t e ri o r j o i n t s o n t h e t o p l a y e r o f a s i n g l e r o w p l a n t w e r e s t u d i e d T h e s e c t i o n a l h e i g h t o f s t e e l b e a m i n t h e j o i n t
6、s i s l a r g e , a n d t h e j o i n t s a r e ri g i d c o n n e c t i o n s , wh i c h a r e a d v e r s e t o e a r t h q ua k e r e s i s t a n c e o f s t r u c t ur e Ac c o r d i n g t o t h e n e e d s o f t e c h n o l o gy a n d c o n s t r u c t i o n ,b e a m t h r o u g h j o i n t s w
7、 e r e印p l i e d t o the e x t e ri o r j o i n t s o n the t o p l a y e r D u e t o e q u i p me n t c o n d i t i o n o f l a b a n d a c t u a l s i z e o f j o i n t ,1 : 3 s c a l e d m o d e l s w e r e d e s i g n e d a n d ma d e a c c o r d i n g t o t h e b e a m t h r o u g h j o i n t s
8、 o n t h e t o p l a y e r o f t h e s i n g l e - r o w p l a n t T h e n ,t h e t e s t s o n mo d e l s u n d e r b e a m e n d l o w- c y c l i c r e v e r s e d l o a d i n g we r e c o nd u c t e d,a n d t h e d e s t r u c t i o n p r o c e s s, f a i l u r e mo d e s ,h y s t e r e t i c c u
9、 r v e s a n d s k e l e t o n C u rve s o f s p e c i me n s w e r e o b t a i n e d An d t h e n o n l i n e a r fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s o f t h e mo d e l s w a s c a r ri e d o u t T h e t e s t d a t a we r e c o mp a r e d a n d t h e s e i s mi c p e rfo rm a n c e s we r e a
10、n a l y z e d Th e r e s u hs s h o w t h a t ,t h e b e a ring c a pa c i t i e s o f t h e s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u m n s t e e l b e a m c o mp o s i t e j o i n t s a r e l a r g e , w h i c h s a t i s fi e s t h e d e s i g n d e ma n d a n d h a s b i g s a f e t
11、y s t o c k,b u t t h e d i s p l a c e me nt d u c t i l i t y c o e f fic i e n t a n d e n e r gy - d i s s i p a t i n g c a pa c i t y a r e r e l a t i v e l y p o o r T h e r e s u l t o f t e s t s i s b a s i c a l l y c o n s i s t e n t wi t h t h a t o f t h e t h e o r e t i c a l a n a
12、 l y s i s Ke y w o r d s :s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e ; j o i n t c o r e z o n e ;h y s t e r e t i c c u rve s ;b e a m t h r o u g h 在以往 的大型工业建筑中, 常常采用多列式 主厂房的结构布置形式。这种结构布置形式一方 面增大 了厂房的横向刚度 , 减小 了柱截面的尺寸 , 并给予工艺和设备更多的使用空间; 另一方面也 收稿 日期 : 2 0 1 4 -0 3 - 3 1 修 回日期 : 2 0 1 4 - 0 5 -
13、0 4 作者简介 :刘元文( 1 9 6 3一) , 男 , 湖北武汉人 , 工程师 , 研究方 向为建筑结 构设计 与施工 ( E m a i l : w e i w e n p h y 1 6 3 c o m) 基金项 目:国家 自然科学基金 ( 5 1 1 7 8 3 6 2 ) 2 4 土木工程与管理学报 能节约材料和减轻 自重 , 使得多列式尤其是两列 式主厂房结构在 以往 的工业 建筑 中得 到广泛应 用 。但是 , 由于多列式厂房需要考虑采光和通风 问题 , 结构布置相 比单列式厂房复杂得多 , 给结构 设计带来了很大 的困难 。因此 , 越来越 多的两列 式大型厂房开始改为单列
14、式主厂房的结构布置形 式 。由于两列式大型厂房高度和跨度通常较大 , 使得改变后的单列式主厂房钢筋混凝土柱截面尺 寸较大 , 常常不能满足工艺要求 , 在这种情况下 , 采用钢骨混凝土柱- 钢梁屋 面结构体系可以很好 的解决这个 问题 。 近些年来 , 越来越多 的单列式主厂房 已经采 用了钢骨混凝土柱一 钢梁屋面结构体 系 , 并且 , 为 了便于施工以及工艺 的要求 , 顶层节点常设计成 梁贯通的连接形式 。但在实际工程设计 中, 由于 结构的屋面钢梁截 面高度较大 , 顶层边节点的梁 柱型钢截面弯矩 承载力 比超过 了相关规范 承 载力公式的应用范围 , 而且由于钢梁的影响, 节点 区也
15、容易出现承压破坏 的情况。因此 , 需针对此 情况对此类结构的顶层边节点做进一步的抗震性 能研究。 目前 国内外对钢骨混凝土梁柱节点的抗 震性能做 了不少研究工作 , 并取得 了大量的研究 成果 , 很多国家和地 区都制定 了相应 的技术 规范和规程 。但对 于此类屋面钢梁截面尺寸 比较大的节点还缺乏研究 , 相关规范 中也缺乏 对其节点承载力的计算方法。因此 , 本文 以某一 实际工程 中的大型单列式汽机机房为研究对象 , 选取其顶层边节点制作缩尺模 型, 并进行低周往 复加载试验和有限元数值模拟分析, 以研究节点 的破坏形态 、 承载能力和耗能能力。 1 工程背景 本文 的工程背景为某一大
16、型钢骨混凝土结构 单列式汽机厂房 , 根据工艺需要 , 厂房设计成三层 框架 , 结构形式如 图 1 所示 ( 图 中标高单位为 m, 其余尺寸单位 为 mm) 。本文研究 对象为顶层边 节点 , 该节点为钢骨混凝土柱 钢梁节点 。根据前 期整体结构的弹塑性分析结果和梁柱构件截面优 选设计 , 最终 确定钢骨混凝 土柱( 1 1剖面 ) 截面 尺寸为 7 0 0 m m X 7 0 0 m m, 混凝土采用 C 4 0, 型钢 采用 H型钢 , 截面为5 0 0 mm X 4 0 0 mm X 1 2 m m X 2 2 m m, 纵筋配置为 1 2 2 5 , 箍筋配置采用 1 4 1 0
17、0 ; 屋面梁( 2 - 2剖面) 采用 H型钢 , 截面为 1 8 0 0 m m X 7 0 0 m m 2 0 m m 4 0 mm, 型 钢 材 料 为 Q 3 4 5 。为了施工方便和工艺要求, 节点设计成钢 梁贯通的连接形式 。 I - - j ) ( I 爪 1 5 5 C m 3 0 ( 31 5 00 图 1 厂房横向框架 2 钢骨混凝土结构 边节点试 验 2 1 试验模型节点设计 根据原结构尺寸和武汉理工大学工程结构振 动研究 中心试验设备条件 , 本文试验确定 为 1 : 3 缩尺模型试验。在试验节点模 型设计 中, 为避免 试验 中的偶然性 , 并使试验结果更具说服力
18、, 混凝 土的强度和钢筋等级与实际工程结构节点相同。 混凝土的强 度等级 为 C 4 0, 纵筋 采用 直径 为 1 4 m m的 H R B 4 0 0级钢筋 , 箍筋采用直径为 8 m m 的 H P B 3 0 0级钢筋 。节点 内的型钢、 箍筋和纵 筋根 据相似理论强度等效的原则进行设计 。本次试验 共制 作 了 两 个 相 同 的 节 点 试 件 ( S R C J D 1和 S R C J D 2 ) 。节点设计为与实际工程结构相 同的梁 贯通连接形式 , 即节点区域钢梁贯通 , 柱内型钢通 过焊接方式与钢梁的上下翼缘处连接。节点试件 模型尺寸和配筋如图2所示, 节点试验模型截面
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