单边螺栓端板连接钢管混凝土框架抗连续倒塌性能研究

Study on Anti-collapse Performance of CFST Frame with Single-sided Bolt End Plates Connection

摘要

基于两个典型倒塌试验模型,验证抗连续倒塌分析准确性.提出半跨梁简化分析模型,研究单边螺栓端板连接钢管混凝土框架子结构抗连续倒塌性能,得到结构失效模式、荷载位移曲线和抗力机制,数值模拟分析关键性参数影响.结果表明:结构抗力机制主要为梁机制、过渡机制和悬链线机制;外伸端板比平齐端板连接极限承载力及相应位移平均增加40.42%和24.2%;方钢管混凝土比圆钢管混凝土框架子结构极限承载力及相应位移平均增加15.4%和26.24%;结构抗连续倒塌性能受螺栓直径、端板厚度、柱壁厚等关键参数影响,螺栓直径对抗倒塌能力和极限位移的影响最为显著.

Abstract

Based on two typical collapse test models, the accuracy of anti-collapse analysis was verified. A simplified analysis model of half-span beams was proposed to study anti-collapse performance of CFST frame substructures with blind bolt end plates connection. The failure mode, load-displacement curve and resistance mechanism were obtained, and the influence of key parameters is analyzed by numerical simulation. The results show that the structure resistance mechanism is mainly beam mechanism, transition mechanism and catenary mechanism. The ultimate bearing capacity and corresponding displacement of extended end plates are 40.42% and 24.2% higher than flush end plates. The ultimate bearing capacity and corresponding displacement of square CFST substructure are 15.4% and 26.24% higher than circle CFST substructure. The anti-collapse performance of the structure is affected by the key parameters such as bolt diameter, end plate thickness and column thickness. The improvement of bolt diameter for anti-collapse performance and ultimate displacement is most significant.

关键词

单边螺栓 / 端板连接 / 钢管混凝土 / 数值模拟 / 抗连续倒塌性能

Key words

blind bolt / end plate connection / CFST / numerical simulation / anti-collapse performance

参考文献

[1] 胡晓斌, 钱稼茹. 结构连续倒塌分析与设计方法综述[J]. 建筑结构. 2006(S1): 573-577.

[2] Ellingwood B R, Dusenberry D O. Building design for abnormal loads and progressive collapse[J]. Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering. 2005, 20(03): 194-205.

[3] Ellingwood, Bruce R. Mitigating risk from abnormal loads and progressive collapse[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities. 2006, 20(04): 315-323.

[4] ASCE-05(2005). Minimum Design Loads for building and other structures[S] American Society of Civil Engineers, Reston, VA.

[5] GSA, Progressive collapse analysis and design guidelines for new federal office buildings and major modernization projects[S]. Washington, DC: U.S. General Services Administration, 2013.

[6] 丁克伟, 陈东, 刘运林, 等. . 一种新型拼缝结构的叠合板受力机理及试验研究[J]. 土木工程学报, 2015, 48(10): 64-69.

[7] 丁克伟, 刘建华, 马巍, 等. . 新型装配式半刚性节点抗震性能试验研究[J]. 土木工程学报, 2021, 54(04): 1-7.

[8] 丁克伟, 韩苗兰, 李兴龙. 装配式半刚性梁柱螺栓连接节点抗震性试验研究[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2020, 43(06): 805-810.

[9] 张语. 低周往复荷载作用下装配式螺栓节点抗震性能试验研究[D]. 合肥: 安徽建筑大学, 2021: 16-54.

[10] 袁良健. 端板连接梁柱节点钢框架抗连续倒塌性能研究[D]. 南京: 东南大学, 2018: 31-61.

[11] 楼国彪, 李国强, 雷青. 钢结构高强度螺栓端板连接研究现状(Ⅰ)[J]. 建筑钢结构进展, 2006(02): 8-21.

[12] 易伟建, 何庆峰, 肖岩. 钢筋混凝土框架结构抗倒塌性能的试验研究[J]. 建筑结构学报, 2007, 28(05): 104-109.

[13] Yang B, Tan K H. Numerical analyses of steel beam-column joints subjected to catenary action[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2012(02), 70: 1-11.

[14] Yang B, Tan K H. Experimental tests of different types of bolted steel beam-column joints under a central-column-removal scenario[J]. Engineering Structures, 2013, 54: 112-130.

[15] 高山, 郭兰慧, 张素梅. 基于材料损伤的钢板加固半刚性组合节点抗倒塌性能分析[J]. 建筑结构学报, 2019, 40(03): 2019. 03.025.

[16] 王文达, 王景玄, 周小燕. 基于纤维模型的钢管混凝土组合框架连续倒塌非线性动力分析[J]. 工程力学, 2014, 31(09): 142-151.

[17] 郑龙, 王文达, 李华伟, 等. . 钢管混凝土柱-钢梁穿心螺栓外伸端板式节点抗连续倒塌性能研究[J]. 建筑结构学报, 2019, 40(11): 140-149.

[18] 王景玄, 王文达, 李华伟. 钢管混凝土平面框架子结构抗连续倒塌精细有限元分析[J]. 工程力学, 2018, 35(06): 105-114.

[19] 王景玄, 王文达, 石晓飞. 基于备用荷载路径法的钢管混凝土框架抗连续倒塌机制非线性动力分析[J]. 建筑结构学报, 2015, 36(S1): 2015. S1.003.

[20] 徐嫚, 高山, 郭兰慧. 钢管混凝土柱-钢梁平齐端板连接节点抗倒塌性能试验研究[J]. 振动与冲击, 2020, 39(20): 121-127.

[21] 史艳莉, 李天昊, 王文达. 不同构造的圆钢管混凝土柱-H钢梁环板节点抗连续性倒塌性能分析[J]. 自然灾害学报, 2017, 26(03): 28-38. 2017.0304.

[22] Dinu F, Marginean I, Dubina D. Experimental testing and numerical modelling of steel moment-frame connections under column loss[J]. Engineering Structures, 2017, 1(51): 861-878.

[23] 聂建国, 田春雨. 考虑剪力滞后的组合梁极限承载力计算[J]. 中国铁道科学, 2005(04): 16-22.

[24] Lee Y W, Wierzbicki T. Quick fracture calibration for industrial use[R]. Cambridge, MA, USA: MIT Impact and Crashworthiness Lab, 2004.

[25] 魏建鹏, 田黎敏, 郭杨, 等. . 考虑损伤断裂的新型梁柱节点抗连续倒塌研究[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2023, 51(07): 77-83.

[26] 孔祥雄, 史铁花, 程绍革. 基于材料损伤和失效准则的钢结构在强震下倒塌模拟分析方法[J]. 土木工程学报, 2014, 47(09): 2014. 09.031.

[27] 周天华, 李文超, 管宇, 等. . 基于应力三轴度的钢框架循环加载损伤分析[J]. 工程力学, 2014, 31(07): 146-155.

[28] GB50010-2010,混凝土结构设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[29] 石永久, 王萌, 王元清, 等. . 钢框架端板连接半刚性节点受力性能分析[J]. 工程力学, 2011, 28(09): 51-58.

[30] 王伟, 李玲, 陈以一, 等. 圆钢管柱-H形梁外环板式节点抗连续性倒塌性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2014, 35(07): 26-33.

[31] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50017-2017钢结构设计标准[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2018.

[32] 王艺璇. 三向连接式半刚性梁柱节点子结构抗倒塌性能研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2023: 7-9.

基金资助

安徽省高校省级自然科学研究项目(KJ2021A0607)

安徽省住房城乡建设科学技术计划项目(2020GYF33)

安徽建筑大学博士启动基金项目(2020QDZ17)

安徽省装配式建筑研究院主任基金(AHZPY2022ZR01)