本文是一篇土木工程论文，本文对端板连接梁柱节点抗震性能进行了试验、数值模拟以及理论研究，包含了纯钢节点和组合节点，同时增加传统的栓焊连接节点进行对照。基于对梁柱组合节点的研究，进一步地对考虑组合楼板影响作用的装配式钢框架抗震性能进行分析。
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
自19世纪末钢材取代铸铁成为新兴建筑材料以来，钢结构的相关研究和应用不断发展，目前钢结构已成为一种重要结构形式[1-4]。对于钢结构的体系，主要常见的有纯框架结构、钢框架-支撑结构、钢框架-剪力墙结构以及钢框架-筒体结构等[5-9]。与混凝土结构体系相比，其具有设计建造周期短、功能空间布置合理、承载能力高、抗震性能良好、综合造价较低等优势。
装配式钢框架，主要指结构中的受力构件（梁、柱、板）通过螺栓进行连接[7]。其中，组合楼板是装配式钢框架中很常见的一种楼板形式，近年来逐渐被广泛运用于我国的多高层结构当中，其具有免支模，造价较低等优点，如图1-1所示。与传统现浇楼板相比，节省人力和工期；与预制混凝土楼板相比，结构整体性更好，防水性能更优越。当组合楼板与钢梁有效连接之后，一般可以将该节点称为“组合节点”。
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1.2 相关课题研究现状
为了参考已有的研究方法与成果，本文对相关课题的研究成果进行了文献的调研，主要的关注对象包含了装配式钢框架梁柱节点的抗震性能和装配式钢框架的抗震性能。
1.2.1 装配式钢框架梁柱节点抗震性能研究
对于装配式钢框架梁柱节点，两者之间的连接方式一般采用螺栓连接和焊缝连接，其类型包括全螺栓连接和部分螺栓连接。与部分螺栓连接形式相比，全螺栓连接具有装配简单、安装灵活、抗震性能良好的优点，是多高层钢框架中应用较为广泛的节点形式，目前，国内外学者针对螺栓连接已开展了一定的研究。
(1) 试验研究
对于装配式钢框架梁柱节点的试验研究主要集中于对梁柱连接形式。李慎等[18]提出带顶底L型件的装配式梁柱节点，主要用于多层钢框架及变电站，对3个节点试件进行循环加载试验，从耗能、承载能力、延性等方面对节点的抗震性能和破坏模式进行研究，通过增加L型件长肢的长度和厚度，可以有效提高节点的性能。Jiang等[19]因施工需求提出了带法兰盖板(FCP)的预制开洞腹板槽钢梁柱节点，并进行了抗震性能试验，验证节点满足承载力需求；Gao等[20-21]、Zhang等[22]、Wang等[23]对螺栓接头的材料和连接方式进行了优化，设计出了不锈钢端板连接节点和单边螺栓连接的钢管混凝土梁柱节点，并进行了低周往复荷载试验研究，表明这些节点均具有更好的变形能力。对于楼板的影响作用，石永久等[24]、牟犇等[25-26]、王静峰等[27-29]、张冬芳等[30]对一些连接形式的梁柱节点进行了试验研究，对考虑楼板影响作用的多种连接形式的节点进行了一些分析，并取得了一定的成果。
(2) 数值模拟
对于装配式钢框架梁柱节点，研究者们在试验基础上进行了一些数值模拟的研究。Boudia等[31]和ElSabbagh等[32]建立了端板连接纯钢节点试验的数值模型，与试验结果进行对比，证明数值模型的有效性，同时对螺栓连接节点进行了参数化分析。Sofias等[33]利用ABAQUS有限元软件建立削弱梁截面(RBS)的端板连接节点的简化数值模型，研究表明削弱梁截面能够有效保护节点核心区周围的各个部件。王培成等[34]对6个不同参数的全螺栓隔板贯通梁柱节点进行了数值模拟分析，分析了H型钢翼缘螺栓数量对梁柱节点抗震性能的影响作用。王元清等[35]通过有限元模拟对国内S31608不锈钢材栓焊混合连接节点的承载能力和变形特征进行了分析。此外，文献[36-39]基于建模方法对节点性能与评价进行了一定的研究。
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第2章 装配式钢框架梁柱组合节点试验研究
2.2 试验目的
装配式钢框架梁柱组合节点的试验研究是研究其力学性能的重要内容，节点的性能主要由节点的刚度、强度以及转动能力来体现的。本章对4个梁柱节点试件进行了试验研究，主要目的如下：
(1) 研究栓焊连接组合节点和外伸端板连接组合节点的滞回性能；
(2) 研究栓焊连接组合节点和外伸端板连接组合节点的半刚性性能；
(3) 观测组合楼板对栓焊连接节点和外伸端板连接节点的抗弯承载力和初始转动刚度的影响作用；
(4) 研究栓焊连接组合节点和外伸端板连接组合节点的受力变形机制和破坏模式；
(5) 研究外伸端板连接节点的端板、端板加劲肋的变形特征。
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2.3 试验方案
2.3.1 节点试件设计
本文试验采用的梁柱节点试件取自于常规多层装配式钢框架结构在侧向荷载作用下梁柱反弯点之间的一个典型单元，采用的是缩尺模型，缩尺比例为1∶2.6。在常规的多层装配式钢框架结构中，其梁和柱的反弯点一般在跨度或楼层高度的中间位置。节点试件一共有4个，连接形式包含了栓焊连接和外伸端板连接，两种连接形式各包含一个纯钢节点试件和组合节点试件。梁和柱均为焊接H型钢，钢柱的截面均为350mm×300mm×10mm×12mm，长度为1800mm，钢梁的截面均为250mm×200mm×8mm×10mm，长度为1200mm。纯钢节点试件由柱、梁、剪切板、加劲肋、端板、螺栓组成。组合节点试件是在纯钢节点试件基础上增加组合楼板，其中组合楼板由压型钢板、混凝土、栓钉、分布钢筋构成。组合楼板的混凝土采用C30等级的混凝土，厚度为70mm，分布钢筋直径均为10mm。组合节点和纯钢节点构造区别在于组合楼板，其余构造完全相同，试件尺寸信息如表2-1和图2-1所示。试件均采用Q345钢材，10.9级M20高强螺栓，YXB48-200-600压型钢板，C30普通混凝土。在栓焊连接节点中，剪切板厚度为8mm；在外伸端板连接节点中，端板和端板加劲肋厚度均为10mm，柱腹板加劲肋厚度为12mm。
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第3章 装配式钢框架梁柱组合节点数值模拟研究 ··············· 31
3.1 概述 ···················· 31
3.2 有限元模型的建立 ················ 31
第4章 装配式钢框架梁柱组合节点理论研究 ························ 45
4.1 概述 ················· 45
4.2 梁柱组合节点的初始转动刚度计算 ·············· 45
第5章 简化有限元模型及节点转角计算 ··················· 65
5.1 概述 ······························ 65
5.2 节点转角研究 ···························· 65
第6章 装配式钢框架抗震性能研究
6.2 装配式钢框架有限元模型概况
6.2.1 工程背景及设计
本文的研究对象为某五层三跨钢框架结构，地理位置处于河北唐山，建筑场地类别为Ⅱ类，抗震设防烈度为8度(0.2g)，设计地震分组为第二组。结构楼层的层高为4.5m，X、Y方向梁的跨度均为6.5m，结构平面和立面信息如图6-1所示。结构的梁、柱均采用Q345钢材，柱截面为H400×400×22×22，梁截面为H350×200×8×16，楼板均采用厚度为120mm的压型钢板-混凝土组合楼盖，混凝土等级为C30，楼面恒载为4kN/m2，楼面活载为3kN/m2，基本风压为0.4kN/m2。本文利用ETABS软件根据现行规范对钢框架结构进行结构设计，设计的控制条件有：(1) 在不考虑地震工况(1.3D+1.5L)和考虑地震工况(1.2D+0.6L+1.3E)下，各个构件的应力比不超过0.95；(2) 结构的层间位移角不超过1/250；(3) 结构的前两阶振型为平动，扭转振型的周期值不超过基本周期的0.9倍。
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结论与展望
本文对端板连接梁柱节点抗震性能进行了试验、数值模拟以及理论研究，包含了纯钢节点和组合节点，同时增加传统的栓焊连接节点进行对照。基于对梁柱组合节点的研究，进一步地对考虑组合楼板影响作用的装配式钢框架抗震性能进行分析。对本文进行的主要工作和获得的主要结论归纳如下：
(1) 对4个梁柱节点试件进行了低周往复荷载试验，包含2个纯钢节点和2个组合节点。试验结果表明，栓焊连接节点最终的破坏主要发生在梁柱翼缘交汇处的连接焊缝处发生断裂，外伸端板连接节点最终的破坏主要是端板发生翘曲变形，螺栓伸长变形以及端板加劲肋屈曲变形。纯钢节点与组合节点间的差异主要为是否含有组合楼板混凝土局部破碎。组合楼板对于节点的初始转动刚度和抗弯承载能力具有明显的增大作用，至少在20%以上。此外，在端板处设置端板加劲肋有利于提高钢梁翼缘的抗拉能力，利于塑性铰外移。
(2) 利用有限元软件建立了装配式梁柱节点试件的数值模型，模拟节点在往复荷载作用下的受力全过程进行分析。4个节点试件的数值模拟结果与试验结果对比表明，两者的吻合程度较高，说明建模方法具有有效性。同时，基于外伸端板连接组合节点试件模型，对其进行参数分析，结果表明，端板厚度和钢材等级能较为有效地提高节点的初始转动刚度和抗弯承载力，端板的构造也会对节点的半刚性性能产生明显的影响。此外，组合楼板参数中的楼板厚度和钢筋直径是对节点性能产生影响的主要因素，但不会影响节点的破坏模式。
(3) 基于组件法和塑性分析方法对外伸端板连接组合节点的初始转动刚度和抗弯承载力进行理论分析，提出了不同组件的理论计算方法，建立了等效计算模型，对于组合楼板的影响作用主要加入对钢筋的抗拉作用和混凝土的局部受压作用进行考虑，最终将理论计算结果分别与试验和有限元计算结果进行对比，误差较小，拟合程度能够满足工程需求，具有工程应用价值。
参考文献（略）