方鋼管柱 - 柱連接節(jié)點特性對結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響研究

方鋼管柱-柱連接節(jié)點特性對結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中，方鋼管柱憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用。方鋼管柱的截面形狀規(guī)則，在建筑空間布局上具有明顯優(yōu)勢，能更好地與建筑設(shè)計相結(jié)合，滿足多樣化的建筑功能需求，為建筑內(nèi)部空間的靈活利用提供了便利條件。其力學(xué)性能出色，在承受軸向壓力、彎矩和剪力等各種荷載作用時，表現(xiàn)出較高的承載能力和良好的穩(wěn)定性，能夠有效地保證結(jié)構(gòu)的安全。在一些高層建筑和大跨度結(jié)構(gòu)中，方鋼管柱的使用可以顯著減少構(gòu)件的截面尺寸，從而減輕結(jié)構(gòu)自重，提高空間利用率，同時降低基礎(chǔ)工程的造價。方鋼管柱的制作和安裝過程相對簡便，能夠提高施工效率，縮短工期，符合現(xiàn)代建筑工業(yè)化的發(fā)展趨勢，在實際工程中，采用方鋼管柱可以減少現(xiàn)場濕作業(yè)，降低施工難度，提高施工質(zhì)量的可控性。連接節(jié)點作為方鋼管柱結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部位，起著傳遞荷載、保證結(jié)構(gòu)整體性的重要作用。節(jié)點的性能直接影響到整個結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為和可靠性。在實際工程中，由于節(jié)點設(shè)計不合理或施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)安全隱患的情況時有發(fā)生。在地震等自然災(zāi)害作用下，節(jié)點更容易受到破壞，進(jìn)而引發(fā)結(jié)構(gòu)的整體失效。因此，深入研究方鋼管柱連接節(jié)點的性能，對于提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性具有至關(guān)重要的意義。結(jié)構(gòu)整體抗震性能是衡量建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下是否安全可靠的重要指標(biāo)。隨著全球地震活動的頻繁發(fā)生，人們對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能提出了越來越高的要求。在過去的地震災(zāi)害中，許多建筑由于抗震性能不足而遭受了嚴(yán)重的破壞，造成了巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。方鋼管柱結(jié)構(gòu)作為一種常見的建筑結(jié)構(gòu)形式，其抗震性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到人民生命財產(chǎn)的安全。研究方鋼管柱結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，不僅可以為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，還可以為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的抗震加固和改造提供理論支持，對于提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力、保障人民生命財產(chǎn)安全具有重要的現(xiàn)實意義。綜上所述，對方鋼管柱-柱連接節(jié)點及結(jié)構(gòu)整體抗震性能的研究具有重要的理論和實際意義。通過深入研究，可以揭示方鋼管柱連接節(jié)點的力學(xué)性能和破壞機(jī)理，掌握結(jié)構(gòu)整體在地震作用下的響應(yīng)規(guī)律，為方鋼管柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，推動方鋼管柱結(jié)構(gòu)在建筑工程中的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外學(xué)者對方鋼管柱-柱連接節(jié)點及結(jié)構(gòu)整體抗震性能開展了大量研究，取得了一定成果。在節(jié)點形式方面，目前常見的方鋼管柱-柱連接節(jié)點形式多樣。如套筒連接節(jié)點，包括內(nèi)套筒和外套筒，通過套筒將上下柱拼接，可增強(qiáng)節(jié)點堅固性與方便螺栓施工，張茗瑋等提出的新型方鋼管內(nèi)套筒—T型件連接節(jié)點，經(jīng)有限元分析具有較好的延性和耗能能力，但力學(xué)性能還需試驗進(jìn)一步驗證；李黎明等設(shè)計的全螺栓連接的外套筒式-H型鋼梁梁柱連接節(jié)點，具有良好的抗震性能和耗能能力，增加外套筒厚度能提高節(jié)點抗震性能和剛度，但受方鋼管柱閉口截面特性限制，裝配程度不高。還有端板連接節(jié)點、帶懸臂短梁連接節(jié)點以及梁貫通式連接節(jié)點等。王燕等對內(nèi)套筒-端板梁柱節(jié)點進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該類型節(jié)點具有較好的耗能能力，但在往復(fù)荷載作用下，柱翼緣易產(chǎn)生對稱凹屈現(xiàn)象，影響節(jié)點性能。帶懸臂短梁連接節(jié)點通過在柱外設(shè)置懸臂短梁，實現(xiàn)與其他構(gòu)件的連接，其傳力路徑相對明確，但節(jié)點構(gòu)造可能較為復(fù)雜。梁貫通式連接節(jié)點則是梁直接貫穿方鋼管柱，該節(jié)點形式整體性較好，但對施工精度要求較高。不同的節(jié)點形式在構(gòu)造、傳力機(jī)制、施工工藝等方面存在差異，各有其適用場景和優(yōu)缺點。在節(jié)點抗震性能研究上，諸多學(xué)者通過試驗和數(shù)值模擬等手段進(jìn)行分析。李黎明等通過低周反復(fù)加載試驗研究方鋼管混凝土柱的抗震性能，分析了其在水平地震作用下的承載能力、變形能力、剛度退化、耗能能力以及結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制，同時研究了含鋼率、長細(xì)比和軸壓比對方鋼管混凝土柱延性的影響，結(jié)果表明長細(xì)比對方鋼管混凝土柱延性影響最大，其次是軸壓比，再次是含鋼率。周學(xué)軍和曲慧采用ANSYS有限元軟件對方鋼管混凝土框架梁柱常用的栓焊混合連接和全焊接連接兩種節(jié)點形式進(jìn)行三維實體建模，利用非線性有限元方法研究了兩種節(jié)點在低周往復(fù)荷載作用下的滯回性能，并比較了它們的抗震性能，結(jié)果表明全焊接連接節(jié)點的抗震性能優(yōu)于栓焊混合連接節(jié)點。T型鋼連接方鋼管柱-H型鋼梁節(jié)點的相關(guān)研究中，龔健等人通過室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬分析，對1∶2縮尺的邊節(jié)點進(jìn)行擬靜力試驗，并利用ABAQUS有限元軟件模擬，綜合分析邊節(jié)點滯回特性、承載力、剛度與耗能等力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)T型鋼加肋對節(jié)點整體承載力影響最大，梁翼緣狗骨式對節(jié)點整體耗能能力影響最大。對于結(jié)構(gòu)整體抗震性能，研究主要集中在結(jié)構(gòu)體系的動力響應(yīng)、抗震設(shè)計方法以及地震作用下的破壞模式等方面。有學(xué)者通過對鋼管混凝土柱框支剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元動力分析，并與普通鋼筋混凝土框支剪力墻結(jié)構(gòu)對比，探討了該結(jié)構(gòu)體系整體抗震性能優(yōu)于鋼筋混凝土框支剪力墻結(jié)構(gòu)之處。在研究方鋼管柱結(jié)構(gòu)整體抗震性能時，多采用有限元軟件建立結(jié)構(gòu)模型，輸入不同的地震波進(jìn)行時程分析，或采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行彈性分析，以研究結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移、內(nèi)力分布等情況。也有研究從結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件選型等方面入手，分析其對結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響，提出優(yōu)化結(jié)構(gòu)抗震性能的措施。盡管國內(nèi)外在方鋼管柱-柱連接節(jié)點及結(jié)構(gòu)整體抗震性能研究方面已取得不少成果，但仍存在一些不足。部分節(jié)點形式的研究還不夠深入，缺乏系統(tǒng)的理論分析和設(shè)計方法，例如一些新型節(jié)點的力學(xué)性能和破壞機(jī)理尚未完全明確，在實際工程應(yīng)用中存在一定風(fēng)險。不同節(jié)點形式的抗震性能對比研究還不夠全面，難以準(zhǔn)確為工程設(shè)計提供依據(jù)。在結(jié)構(gòu)整體抗震性能研究中，考慮的影響因素還不夠全面，如結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的相互作用、材料的非線性特性等對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響研究還需進(jìn)一步加強(qiáng)。對結(jié)構(gòu)在復(fù)雜地震作用下的倒塌機(jī)制和破壞過程的研究還不夠深入，不利于制定有效的抗震防災(zāi)措施。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究旨在全面深入地探究方鋼管柱-柱連接節(jié)點及結(jié)構(gòu)整體抗震性能，具體涵蓋以下幾個關(guān)鍵方面：方鋼管柱-柱連接節(jié)點形式研究：系統(tǒng)地梳理和分析當(dāng)前常見的各類方鋼管柱-柱連接節(jié)點形式，如套筒連接節(jié)點（包括內(nèi)套筒和外套筒連接方式）、端板連接節(jié)點、帶懸臂短梁連接節(jié)點以及梁貫通式連接節(jié)點等。詳細(xì)剖析每種節(jié)點形式的構(gòu)造特點，包括構(gòu)件的組成、尺寸規(guī)格以及相互之間的連接方式；深入研究其傳力機(jī)制，明確荷載在節(jié)點各構(gòu)件之間的傳遞路徑和規(guī)律；全面分析其施工工藝，評估施工過程中的難易程度、技術(shù)要求以及可能出現(xiàn)的問題。通過對這些方面的研究，總結(jié)不同節(jié)點形式的優(yōu)缺點，為后續(xù)的節(jié)點性能研究和工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)。方鋼管柱-柱連接節(jié)點抗震性能研究：以抗震性能為核心關(guān)注點，選取承載能力、變形能力、滯回性能、耗能能力以及剛度退化等作為關(guān)鍵性能指標(biāo)。通過精心設(shè)計并開展低周反復(fù)加載試驗，對節(jié)點在模擬地震作用下的力學(xué)行為進(jìn)行直接觀測和數(shù)據(jù)采集，獲取節(jié)點在不同加載階段的荷載-位移曲線、應(yīng)變分布等數(shù)據(jù)，從而直觀地了解節(jié)點的破壞過程和破壞模式。同時，利用先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)，借助專業(yè)的有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立高精度的節(jié)點模型，進(jìn)行非線性分析，模擬節(jié)點在復(fù)雜受力條件下的響應(yīng)，進(jìn)一步深入研究節(jié)點的抗震性能。通過試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，全面、準(zhǔn)確地評估不同節(jié)點形式的抗震性能，為節(jié)點的優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。影響方鋼管柱-柱連接節(jié)點抗震性能的因素研究：深入探討多個可能對方鋼管柱-柱連接節(jié)點抗震性能產(chǎn)生顯著影響的因素。節(jié)點構(gòu)造參數(shù)方面，研究節(jié)點板厚度、螺栓間距、套筒長度等參數(shù)的變化對節(jié)點抗震性能的影響規(guī)律，通過試驗和數(shù)值模擬，分析這些參數(shù)如何改變節(jié)點的承載能力、變形能力和耗能能力等。材料性能方面，考慮鋼材的強(qiáng)度等級、屈服強(qiáng)度、彈性模量以及混凝土的強(qiáng)度等級、抗壓強(qiáng)度等因素對節(jié)點性能的影響，探究不同材料性能組合下節(jié)點的力學(xué)行為。荷載工況方面，研究不同的加載幅值、加載頻率、加載順序等對節(jié)點抗震性能的影響，了解節(jié)點在不同地震波特性和地震作用持續(xù)時間下的響應(yīng)。通過對這些影響因素的研究，明確各因素的作用機(jī)制和影響程度，為節(jié)點的設(shè)計和優(yōu)化提供針對性的指導(dǎo)。方鋼管柱結(jié)構(gòu)整體抗震性能研究：運(yùn)用有限元軟件建立精確的方鋼管柱結(jié)構(gòu)整體模型，充分考慮結(jié)構(gòu)的實際布置、構(gòu)件的連接方式以及材料的非線性特性等因素。對結(jié)構(gòu)模型輸入多種不同類型的地震波，如天然地震波和人工合成地震波，進(jìn)行時程分析，模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力響應(yīng)，獲取結(jié)構(gòu)的位移、加速度、內(nèi)力等時程曲線，全面了解結(jié)構(gòu)在地震過程中的振動特性和響應(yīng)規(guī)律。同時，采用振型分解反應(yīng)譜法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性分析，計算結(jié)構(gòu)在不同振型下的地震作用效應(yīng)，確定結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)最大值，評估結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。通過對結(jié)構(gòu)整體抗震性能的研究，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計和優(yōu)化提供全面的理論支持，確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性和可靠性。1.3.2研究方法為實現(xiàn)上述研究目標(biāo)，本研究將綜合運(yùn)用試驗研究、數(shù)值模擬和理論分析等多種方法，相互驗證和補(bǔ)充，以確保研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。試驗研究：設(shè)計并制作一系列不同節(jié)點形式的方鋼管柱-柱連接節(jié)點試件，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行加工和制作，確保試件的尺寸精度和材料性能符合要求。對試件進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗，模擬地震作用下節(jié)點的受力情況。在試驗過程中，采用高精度的測量儀器，如位移計、應(yīng)變片等，實時測量節(jié)點的位移、應(yīng)變、荷載等數(shù)據(jù)。仔細(xì)觀察節(jié)點在加載過程中的變形形態(tài)、破壞模式和裂縫開展情況，記錄關(guān)鍵的試驗現(xiàn)象。通過試驗數(shù)據(jù)的分析，直接獲取節(jié)點的抗震性能指標(biāo)，為后續(xù)的研究提供真實可靠的數(shù)據(jù)支持。數(shù)值模擬：利用ANSYS、ABAQUS等通用有限元軟件，建立方鋼管柱-柱連接節(jié)點和結(jié)構(gòu)整體的精細(xì)數(shù)值模型。在建模過程中，合理選擇單元類型，如實體單元、殼單元等，準(zhǔn)確模擬節(jié)點和結(jié)構(gòu)的幾何形狀和構(gòu)造細(xì)節(jié)。考慮材料的非線性本構(gòu)關(guān)系，如鋼材的彈塑性本構(gòu)模型、混凝土的損傷塑性模型等，真實反映材料在受力過程中的力學(xué)行為。施加與試驗相同的荷載工況和邊界條件，對節(jié)點和結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析。通過數(shù)值模擬，可以得到節(jié)點和結(jié)構(gòu)在不同受力階段的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，以及結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特性，進(jìn)一步深入研究節(jié)點和結(jié)構(gòu)的抗震性能。同時，利用數(shù)值模擬可以快速地改變參數(shù)，進(jìn)行多組計算分析，研究不同因素對節(jié)點和結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，提高研究效率。理論分析：基于材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和抗震理論等相關(guān)知識，對方鋼管柱-柱連接節(jié)點和結(jié)構(gòu)整體的抗震性能進(jìn)行理論分析。建立節(jié)點的力學(xué)模型，推導(dǎo)節(jié)點的承載力計算公式、變形計算公式以及耗能計算公式等，從理論上分析節(jié)點的力學(xué)性能和抗震性能。運(yùn)用結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理，對方鋼管柱結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行動力分析，求解結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型以及地震作用下的動力響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提供理論依據(jù)。將理論分析結(jié)果與試驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗證，進(jìn)一步完善理論分析方法，確保理論分析的準(zhǔn)確性和可靠性。二、方鋼管柱-柱連接節(jié)點形式分類與特點2.1常見連接節(jié)點形式介紹2.1.1焊接連接節(jié)點焊接連接是方鋼管柱連接中較為常見的一種方式，它通過高溫使焊條或焊絲與被連接的方鋼管柱材料熔化，冷卻后形成牢固的連接接頭。在實際應(yīng)用中，焊接連接通常采用手工電弧焊、氣體保護(hù)焊等工藝。對于方鋼管柱的對接，常采用全熔透焊縫，以確保接頭的強(qiáng)度和密封性，這種焊縫能夠使上下柱的鋼材完全熔合，形成一個整體，從而有效地傳遞軸向力、彎矩和剪力等荷載。在一些重要的建筑結(jié)構(gòu)中，如高層建筑的核心筒部位，方鋼管柱之間的連接多采用全熔透焊接，以滿足結(jié)構(gòu)對承載能力和抗震性能的嚴(yán)格要求。在方鋼管柱與其他構(gòu)件的連接中，也會根據(jù)具體情況采用角焊縫等形式。當(dāng)方鋼管柱與鋼梁連接時，可能會在柱的側(cè)面焊接連接板，然后通過角焊縫將鋼梁與連接板連接起來，角焊縫能夠承受一定的剪力和拉力，保證節(jié)點的穩(wěn)定性。焊接連接節(jié)點具有明顯的優(yōu)點。其整體性好，能夠使方鋼管柱之間形成一個連續(xù)的結(jié)構(gòu)，在荷載作用下，節(jié)點處的變形協(xié)調(diào)能力強(qiáng)，能夠有效地提高結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載能力。在一些大跨度的橋梁結(jié)構(gòu)中，采用焊接連接的方鋼管柱能夠更好地承受橋梁自重和車輛荷載，保證橋梁的安全運(yùn)行。焊接連接的傳力直接，荷載可以通過焊縫直接傳遞到相鄰的構(gòu)件上，減少了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，提高了節(jié)點的受力性能。焊接連接還具有施工速度快、成本相對較低等優(yōu)點，在大規(guī)模的建筑工程中，能夠提高施工效率，降低工程造價。然而，焊接連接節(jié)點也存在一些缺點。焊接過程中容易產(chǎn)生焊接缺陷，如氣孔、夾渣、裂紋等，這些缺陷會嚴(yán)重影響節(jié)點的性能，降低節(jié)點的承載能力和抗震性能。如果氣孔和夾渣的存在會削弱焊縫的有效截面積，導(dǎo)致節(jié)點在受力時容易發(fā)生破壞；裂紋的出現(xiàn)則可能會引發(fā)節(jié)點的脆性斷裂，在地震等動力荷載作用下，這種脆性斷裂的風(fēng)險會更大。焊接連接對施工工藝和施工人員的技術(shù)水平要求較高，需要嚴(yán)格控制焊接參數(shù)和施工質(zhì)量，否則容易出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題。焊接連接節(jié)點一旦出現(xiàn)問題，修復(fù)難度較大，需要耗費(fèi)大量的人力、物力和時間。2.1.2螺栓連接節(jié)點螺栓連接是通過螺栓將方鋼管柱與其他構(gòu)件或另一根方鋼管柱連接在一起的方式。根據(jù)螺栓的受力特點和使用場景，可分為普通螺栓連接和高強(qiáng)螺栓連接。普通螺栓連接主要依靠螺栓桿的抗剪和孔壁的承壓來傳遞荷載，適用于一些對連接強(qiáng)度要求不高的場合，在一些臨時結(jié)構(gòu)或次要結(jié)構(gòu)中，普通螺栓連接因其安裝方便、成本較低而被廣泛應(yīng)用。高強(qiáng)螺栓連接則通過施加預(yù)拉力，使被連接件之間產(chǎn)生摩擦力來傳遞荷載，具有較高的連接強(qiáng)度和可靠性，在高層建筑、大型橋梁等重要結(jié)構(gòu)中，高強(qiáng)螺栓連接常用于方鋼管柱與鋼梁、柱與基礎(chǔ)等關(guān)鍵部位的連接。在方鋼管柱連接中，螺栓連接的應(yīng)用較為廣泛。常見的形式有端板螺栓連接，即在方鋼管柱的端部焊接一塊端板，然后通過螺栓將端板與其他構(gòu)件連接起來，這種連接方式便于安裝和拆卸，能夠提高施工效率，同時也方便后期的維護(hù)和改造。還有套筒螺栓連接，通過在方鋼管柱之間設(shè)置套筒，利用螺栓將套筒與柱連接，增強(qiáng)了連接的可靠性和穩(wěn)定性，套筒可以增加連接部位的剛度和強(qiáng)度，減少節(jié)點的變形。在一些裝配式建筑中，方鋼管柱的連接大量采用螺栓連接方式，實現(xiàn)了構(gòu)件的工業(yè)化生產(chǎn)和現(xiàn)場快速組裝，符合建筑工業(yè)化的發(fā)展趨勢。螺栓連接節(jié)點具有諸多優(yōu)點。安裝方便是其顯著特點之一，施工人員可以在現(xiàn)場快速地進(jìn)行螺栓的安裝和拆卸，不需要復(fù)雜的施工設(shè)備和技術(shù)，能夠大大縮短施工周期。在一些緊急搶修工程或需要頻繁拆卸和組裝的結(jié)構(gòu)中，螺栓連接的優(yōu)勢尤為明顯。螺栓連接節(jié)點具有可拆卸性，這為結(jié)構(gòu)的維護(hù)、改造和升級提供了便利條件。當(dāng)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行局部調(diào)整或更換構(gòu)件時，可以方便地拆卸螺栓，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理。螺栓連接還可以在一定程度上調(diào)節(jié)連接部位的位置和角度，提高了施工的靈活性。但是，螺栓連接節(jié)點也存在一些問題。螺栓在長期使用過程中可能會出現(xiàn)松動現(xiàn)象，特別是在振動、沖擊等動力荷載作用下，松動的可能性更大。螺栓松動會導(dǎo)致節(jié)點的剛度降低，連接性能下降，影響結(jié)構(gòu)的安全性。在一些橋梁結(jié)構(gòu)中，由于車輛行駛產(chǎn)生的振動，可能會使螺栓逐漸松動，需要定期進(jìn)行檢查和緊固。螺栓連接的節(jié)點在受力時，螺栓孔周圍會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，這可能會降低構(gòu)件的承載能力。為了減少應(yīng)力集中的影響，通常需要對螺栓孔進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚绮捎眉雍窨妆?、設(shè)置墊圈等措施。螺栓連接的成本相對較高，特別是高強(qiáng)螺栓，其材料和加工成本都比較昂貴，這在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。2.1.3混合連接節(jié)點混合連接節(jié)點是將焊接連接和螺栓連接的優(yōu)點相結(jié)合的一種連接方式。它充分利用焊接連接的整體性好、傳力直接和螺栓連接的安裝方便、可拆卸等特點，以滿足不同工程對方鋼管柱連接節(jié)點的要求。在實際應(yīng)用中，混合連接節(jié)點通常在關(guān)鍵部位采用焊接連接，以保證節(jié)點的強(qiáng)度和剛度，而在一些便于安裝和維護(hù)的部位采用螺栓連接。在方鋼管柱與鋼梁的連接中，可能會在柱與鋼梁的翼緣之間采用焊接連接，以確保能夠有效地傳遞彎矩和剪力；而在柱與鋼梁的腹板之間采用螺栓連接，便于安裝和調(diào)整鋼梁的位置。混合連接節(jié)點在方鋼管柱連接中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。它綜合了焊接連接和螺栓連接的優(yōu)點，提高了節(jié)點的性能。通過焊接連接保證了節(jié)點的整體性和承載能力，通過螺栓連接提高了節(jié)點的安裝便利性和可拆卸性。在一些大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，如體育場館、會展中心等，混合連接節(jié)點能夠更好地滿足結(jié)構(gòu)在施工和使用過程中的要求?；旌线B接節(jié)點還可以根據(jù)不同的荷載工況和結(jié)構(gòu)要求，靈活地調(diào)整連接方式和參數(shù)。在承受較大的靜力荷載時，可以適當(dāng)增加焊接連接的比例，以提高節(jié)點的承載能力；在承受頻繁的動力荷載時，可以增加螺栓連接的比例，以便于后期的維護(hù)和更換。設(shè)計和施工混合連接節(jié)點時，需要注意一些要點。要合理確定焊接和螺栓連接的比例和位置，確保節(jié)點的受力性能和施工可行性。在設(shè)計過程中，需要通過力學(xué)分析和計算，確定最佳的連接方案。要嚴(yán)格控制焊接和螺栓連接的施工質(zhì)量，焊接質(zhì)量應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，避免出現(xiàn)焊接缺陷；螺栓連接應(yīng)確保螺栓的預(yù)拉力符合設(shè)計要求，防止螺栓松動。還需要考慮節(jié)點的防腐和防火措施，保證節(jié)點在長期使用過程中的耐久性和安全性。2.2不同節(jié)點形式的受力特點分析2.2.1荷載傳遞機(jī)制焊接連接節(jié)點在承受荷載時，荷載通過焊縫直接傳遞到相鄰的方鋼管柱上。以方鋼管柱對接的全熔透焊接節(jié)點為例，當(dāng)軸向壓力作用于節(jié)點時，壓力通過焊縫均勻地分布在上下柱的截面上，使兩根柱共同承受壓力。在彎矩作用下，焊縫將彎矩轉(zhuǎn)化為上下柱之間的拉力和壓力，通過焊縫的抗拉和抗壓能力來傳遞彎矩。如果在節(jié)點處施加一個順時針方向的彎矩，焊縫的一側(cè)將承受拉力，另一側(cè)將承受壓力，從而保證節(jié)點能夠有效地傳遞彎矩。在剪力作用下，焊縫主要通過抗剪能力來抵抗剪力，確保節(jié)點的穩(wěn)定性。螺栓連接節(jié)點的荷載傳遞方式與焊接連接有所不同。對于普通螺栓連接節(jié)點，在承受荷載時，螺栓桿主要承受剪力，通過螺栓桿與孔壁之間的摩擦力和承壓作用來傳遞荷載。當(dāng)節(jié)點受到拉力作用時，螺栓桿將拉力傳遞到被連接件上，使被連接件之間產(chǎn)生相互作用力。在節(jié)點受到剪力作用時，螺栓桿的抗剪能力和孔壁的承壓能力共同抵抗剪力。高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點則主要依靠螺栓的預(yù)拉力使被連接件之間產(chǎn)生摩擦力來傳遞荷載。在節(jié)點受到拉力作用時，摩擦力能夠有效地抵抗拉力，防止被連接件之間發(fā)生相對滑動；在受到剪力作用時，摩擦力同樣能夠抵抗剪力，保證節(jié)點的連接性能。在端板螺栓連接節(jié)點中，荷載通過端板傳遞到螺栓上，再由螺栓將荷載傳遞到方鋼管柱上?；旌线B接節(jié)點結(jié)合了焊接和螺栓連接的荷載傳遞特點。在關(guān)鍵部位，如承受較大彎矩和剪力的區(qū)域，通過焊接連接來直接傳遞荷載，利用焊縫的高強(qiáng)度和良好的整體性，確保節(jié)點能夠承受較大的內(nèi)力。在一些便于安裝和調(diào)整的部位，采用螺栓連接來傳遞荷載，利用螺栓連接的可拆卸性和施工便利性。在方鋼管柱與鋼梁的混合連接節(jié)點中，鋼梁翼緣與柱之間的焊接連接能夠有效地傳遞彎矩和剪力，而鋼梁腹板與柱之間的螺栓連接則便于安裝和調(diào)整鋼梁的位置，同時也能傳遞一定的荷載。這種混合連接方式使得節(jié)點在不同的受力情況下，能夠充分發(fā)揮焊接和螺栓連接的優(yōu)勢，提高節(jié)點的承載能力和可靠性。2.2.2應(yīng)力分布規(guī)律通過理論分析和數(shù)值模擬可以深入研究不同節(jié)點在受力時的應(yīng)力分布情況。對于焊接連接節(jié)點，在焊縫附近，由于焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及荷載作用下的應(yīng)力集中，應(yīng)力水平通常較高。在方鋼管柱對接的全熔透焊接節(jié)點中，焊縫的起始端和結(jié)束端往往是應(yīng)力集中的區(qū)域，在這些部位，應(yīng)力可能會超過材料的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致局部塑性變形。隨著遠(yuǎn)離焊縫，應(yīng)力逐漸均勻分布到柱的截面上。在數(shù)值模擬中，可以觀察到焊縫附近的等效應(yīng)力云圖呈現(xiàn)出明顯的峰值，而遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域等效應(yīng)力相對較低且分布較為均勻。螺栓連接節(jié)點的應(yīng)力分布主要集中在螺栓孔周圍和螺栓桿上。在螺栓孔周圍，由于螺栓與孔壁之間的接觸作用，會產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力。當(dāng)節(jié)點受到拉力作用時，螺栓孔周圍的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出以螺栓孔為中心的輻射狀，靠近螺栓孔的區(qū)域應(yīng)力較大，隨著距離的增加應(yīng)力逐漸減小。在螺栓桿上，主要承受拉力和剪力，應(yīng)力分布較為均勻。在高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點中，由于預(yù)拉力的作用，螺栓桿處于受拉狀態(tài)，螺栓孔周圍的被連接件受到壓力作用，這種應(yīng)力分布使得節(jié)點能夠有效地傳遞荷載。通過數(shù)值模擬可以清晰地看到螺栓孔周圍和螺栓桿上的應(yīng)力分布情況，為節(jié)點的設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)?；旌线B接節(jié)點的應(yīng)力分布較為復(fù)雜，綜合了焊接和螺栓連接節(jié)點的特點。在焊接部位，應(yīng)力分布與焊接連接節(jié)點相似，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；在螺栓連接部位，應(yīng)力分布與螺栓連接節(jié)點相似。在方鋼管柱與鋼梁的混合連接節(jié)點中，鋼梁翼緣與柱焊接處的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出焊縫附近應(yīng)力集中的特點，而鋼梁腹板與柱螺栓連接部位的應(yīng)力分布則主要集中在螺栓孔周圍。通過數(shù)值模擬可以詳細(xì)分析混合連接節(jié)點在不同荷載工況下的應(yīng)力分布情況，了解節(jié)點的受力薄弱環(huán)節(jié)，為節(jié)點的設(shè)計和改進(jìn)提供指導(dǎo)。2.2.3變形性能對比不同節(jié)點形式在承受荷載時的變形特點和能力存在差異。焊接連接節(jié)點由于其整體性好，在承受荷載時，節(jié)點的變形相對較小，主要表現(xiàn)為彈性變形和少量的塑性變形。在小荷載作用下，焊接連接節(jié)點能夠保持較好的剛度，變形量較小；當(dāng)荷載逐漸增大，超過材料的屈服強(qiáng)度后，節(jié)點會發(fā)生塑性變形，但由于焊縫的約束作用，變形的發(fā)展相對較為緩慢。在方鋼管柱對接的全熔透焊接節(jié)點中，在彈性階段，節(jié)點的變形主要是由于材料的彈性模量引起的，變形量與荷載成正比；進(jìn)入塑性階段后，焊縫和柱材的塑性變形逐漸增加，但整體變形仍然受到焊縫的限制，不會出現(xiàn)突然的破壞。螺栓連接節(jié)點在承受荷載時，由于螺栓與孔壁之間存在一定的間隙，節(jié)點在受力初期會產(chǎn)生一定的滑移變形。隨著荷載的增加，螺栓的預(yù)拉力逐漸發(fā)揮作用，節(jié)點的變形逐漸趨于穩(wěn)定。在普通螺栓連接節(jié)點中，由于螺栓的抗剪能力相對較弱，節(jié)點在承受較大剪力時，螺栓桿與孔壁之間的滑移變形可能會較大，導(dǎo)致節(jié)點的剛度降低。而高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點由于預(yù)拉力產(chǎn)生的摩擦力較大，能夠有效地限制節(jié)點的滑移變形，提高節(jié)點的剛度。在端板螺栓連接節(jié)點中，當(dāng)節(jié)點受到拉力作用時，端板會發(fā)生一定的彎曲變形，同時螺栓也會產(chǎn)生拉伸變形，這些變形共同構(gòu)成了節(jié)點的變形。混合連接節(jié)點的變形性能受到焊接和螺栓連接的共同影響。在承受荷載時，焊接部位能夠提供較大的剛度，限制節(jié)點的變形；而螺栓連接部位則在一定程度上允許節(jié)點發(fā)生變形，以適應(yīng)荷載的變化。在方鋼管柱與鋼梁的混合連接節(jié)點中，鋼梁翼緣與柱焊接處的剛度較大，能夠有效地抵抗彎矩和剪力，減少節(jié)點的變形；鋼梁腹板與柱螺栓連接部位則在一定程度上允許鋼梁發(fā)生轉(zhuǎn)動和位移，以適應(yīng)結(jié)構(gòu)的變形需求?；旌线B接節(jié)點的變形性能相對較為靈活，能夠在保證節(jié)點強(qiáng)度的前提下，適應(yīng)不同的受力工況。三、方鋼管柱-柱連接節(jié)點抗震性能試驗研究3.1試驗方案設(shè)計3.1.1試件設(shè)計與制作本試驗設(shè)計了三種不同節(jié)點形式的方鋼管柱試件，分別為焊接連接節(jié)點試件、螺栓連接節(jié)點試件和混合連接節(jié)點試件，每種節(jié)點形式各制作3個試件，共計9個試件。試件的設(shè)計主要參考相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和以往的研究成果，確保試件能夠真實反映實際工程中方鋼管柱連接節(jié)點的受力情況。試件的方鋼管柱采用Q345B鋼材，其屈服強(qiáng)度為345MPa，抗拉強(qiáng)度為490-630MPa，彈性模量為2.06×10?MPa。方鋼管柱的截面尺寸為200mm×200mm，壁厚為8mm，長度為1500mm。對于焊接連接節(jié)點試件，采用手工電弧焊進(jìn)行焊接，焊縫質(zhì)量等級為二級，確保焊縫的強(qiáng)度和密封性。在焊接過程中，嚴(yán)格控制焊接電流、電壓和焊接速度等參數(shù)，以保證焊接質(zhì)量。對于螺栓連接節(jié)點試件，采用10.9級高強(qiáng)螺栓，螺栓直徑為20mm。在方鋼管柱的端部焊接端板，端板厚度為20mm，通過高強(qiáng)螺栓將端板與另一根方鋼管柱的端板連接起來。在安裝螺栓時，使用扭矩扳手按照設(shè)計要求的扭矩值進(jìn)行緊固，確保螺栓的預(yù)拉力符合要求?；旌线B接節(jié)點試件則結(jié)合了焊接和螺栓連接的方式，在關(guān)鍵部位采用焊接連接，在便于安裝和維護(hù)的部位采用螺栓連接。具體來說，在方鋼管柱的翼緣處采用焊接連接，在腹板處采用螺栓連接。在試件制作過程中，嚴(yán)格控制材料的質(zhì)量和加工精度。對鋼材進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗，確保其化學(xué)成分和力學(xué)性能符合要求。采用先進(jìn)的加工設(shè)備和工藝，保證方鋼管柱的尺寸精度和表面平整度。在焊接過程中，對焊縫進(jìn)行外觀檢查和無損檢測，確保焊縫質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。對于螺栓連接部位，對螺栓孔的加工精度進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保螺栓能夠順利安裝并達(dá)到設(shè)計的預(yù)拉力。3.1.2試驗加載制度試驗采用低周反復(fù)加載制度，模擬地震作用下節(jié)點的受力情況。加載裝置采用MTS液壓伺服加載系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠精確控制加載力和位移，滿足試驗要求。試驗加載裝置示意圖如圖1所示。[此處插入試驗加載裝置示意圖]加載方式采用位移控制，以柱頂?shù)乃轿灰茷榭刂茀?shù)。加載級別和加載順序如下：在彈性階段，采用較小的位移增量進(jìn)行加載，每級位移增量為5mm，每級荷載循環(huán)2次。當(dāng)試件進(jìn)入屈服階段后，以屈服位移的倍數(shù)作為位移增量，每級位移增量為屈服位移的1.5倍，每級荷載循環(huán)2次。當(dāng)試件的承載力下降到極限承載力的85%時，停止加載。加載過程中，使用IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集荷載、位移等數(shù)據(jù)，并使用高速攝像機(jī)記錄試件的變形和破壞過程。3.1.3測量內(nèi)容與方法試驗中主要測量節(jié)點的位移、應(yīng)變和荷載等數(shù)據(jù)。位移測量采用位移計，在柱頂和柱底分別布置位移計，測量柱頂?shù)乃轿灰坪椭椎霓D(zhuǎn)角。在節(jié)點區(qū)域布置位移計，測量節(jié)點的相對位移和變形。應(yīng)變測量采用應(yīng)變片，在方鋼管柱的關(guān)鍵部位，如翼緣、腹板和焊縫處，粘貼應(yīng)變片，測量構(gòu)件的應(yīng)變分布。荷載測量采用荷載傳感器，安裝在加載裝置上，實時測量加載力的大小。位移計和應(yīng)變片通過導(dǎo)線與IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，荷載傳感器通過信號線與MTS液壓伺服加載系統(tǒng)相連。在試驗過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按照設(shè)定的時間間隔自動采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在計算機(jī)中。試驗結(jié)束后，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，得到節(jié)點的荷載-位移曲線、應(yīng)變-時間曲線等，從而評估節(jié)點的抗震性能。3.2試驗結(jié)果與分析3.2.1破壞模式觀察在低周反復(fù)加載試驗過程中，不同節(jié)點形式的方鋼管柱-柱連接節(jié)點呈現(xiàn)出各自獨(dú)特的破壞模式。焊接連接節(jié)點試件在加載初期，節(jié)點處的變形較小，隨著荷載的增加，焊縫附近首先出現(xiàn)微小裂紋。這些裂紋主要是由于焊接殘余應(yīng)力和循環(huán)荷載作用下的應(yīng)力集中導(dǎo)致的。隨著加載的繼續(xù)，裂紋逐漸擴(kuò)展，當(dāng)荷載達(dá)到一定程度時，焊縫發(fā)生斷裂，節(jié)點喪失承載能力。在試件W-1（焊接連接節(jié)點試件編號）的試驗中，當(dāng)加載至第3個循環(huán)，位移幅值為30mm時，焊縫的根部出現(xiàn)了肉眼可見的裂紋；隨著位移幅值的不斷增加，裂紋迅速擴(kuò)展，在第5個循環(huán)，位移幅值達(dá)到45mm時，焊縫完全斷裂，試件發(fā)生破壞。破壞后的試件焊縫處的鋼材被拉斷，斷口較為平齊，呈現(xiàn)出典型的脆性破壞特征。螺栓連接節(jié)點試件的破壞過程相對較為復(fù)雜。在加載初期，節(jié)點主要通過螺栓的預(yù)拉力和摩擦力來傳遞荷載，節(jié)點的變形較小。隨著荷載的增加，螺栓桿與孔壁之間的摩擦力逐漸增大，當(dāng)摩擦力達(dá)到一定程度時，螺栓桿開始發(fā)生滑移。同時，螺栓孔周圍的鋼材由于受到較大的局部應(yīng)力，出現(xiàn)塑性變形。在加載后期，部分螺栓桿被剪斷，節(jié)點的承載能力迅速下降。對于試件B-2（螺栓連接節(jié)點試件編號），在加載至第4個循環(huán)，位移幅值為40mm時，部分螺栓開始出現(xiàn)松動，螺栓桿與孔壁之間的滑移明顯增大；繼續(xù)加載至第6個循環(huán)，位移幅值為55mm時，有3根螺栓桿被剪斷，節(jié)點的承載能力急劇下降，試件發(fā)生破壞。破壞后的試件螺栓孔周圍的鋼材出現(xiàn)明顯的塑性變形，螺栓桿的剪斷處呈現(xiàn)出剪切破壞的特征。混合連接節(jié)點試件結(jié)合了焊接和螺栓連接的特點，其破壞模式也較為復(fù)雜。在加載初期，焊接部位和螺栓連接部位共同承擔(dān)荷載，節(jié)點的變形較小。隨著荷載的增加，焊接部位首先出現(xiàn)裂紋，然后螺栓連接部位開始出現(xiàn)螺栓松動和滑移現(xiàn)象。當(dāng)荷載進(jìn)一步增加時，焊接部位的裂紋擴(kuò)展，螺栓桿被剪斷，節(jié)點最終喪失承載能力。以試件M-3（混合連接節(jié)點試件編號）為例，在加載至第3個循環(huán)，位移幅值為35mm時，焊接部位的焊縫出現(xiàn)微小裂紋；在第5個循環(huán)，位移幅值為50mm時，螺栓連接部位的部分螺栓開始松動，螺栓桿與孔壁之間發(fā)生滑移；當(dāng)加載至第7個循環(huán)，位移幅值為65mm時，焊接部位的焊縫斷裂，同時有4根螺栓桿被剪斷，節(jié)點發(fā)生破壞。破壞后的試件焊接部位的焊縫斷裂，螺栓孔周圍的鋼材出現(xiàn)塑性變形，螺栓桿被剪斷，呈現(xiàn)出焊接和螺栓連接共同破壞的特征。通過對不同節(jié)點形式試件破壞模式的觀察，可以發(fā)現(xiàn)焊接連接節(jié)點的破壞主要是由于焊縫的斷裂，表現(xiàn)為脆性破壞；螺栓連接節(jié)點的破壞主要是由于螺栓的松動、滑移和剪斷，以及螺栓孔周圍鋼材的塑性變形；混合連接節(jié)點的破壞則是焊接部位和螺栓連接部位共同作用的結(jié)果。這些破壞模式的差異將直接影響節(jié)點的抗震性能，為后續(xù)的抗震性能分析提供了重要依據(jù)。3.2.2滯回曲線分析滯回曲線是反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下力學(xué)性能的重要曲線，它能夠直觀地展示節(jié)點的耗能能力、強(qiáng)度退化和變形能力等特性。根據(jù)試驗采集的數(shù)據(jù)，繪制出了不同節(jié)點形式試件的滯回曲線，如圖2所示。[此處插入不同節(jié)點形式試件的滯回曲線]從滯回曲線的形狀來看，焊接連接節(jié)點試件的滯回曲線相對較為狹窄，呈梭形。這表明焊接連接節(jié)點在加載過程中，剛度退化較為明顯，耗能能力相對較弱。在加載初期，曲線斜率較大，說明節(jié)點的剛度較大；隨著加載次數(shù)的增加，曲線斜率逐漸減小，剛度不斷降低。在試件W-2的滯回曲線中，正向加載時，在第1次循環(huán)，位移幅值為10mm時，荷載達(dá)到120kN，此時曲線斜率較大；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，在第5次循環(huán)，位移幅值為30mm時，荷載僅達(dá)到180kN，曲線斜率明顯減小，說明節(jié)點剛度退化顯著。焊接連接節(jié)點的滯回曲線捏攏現(xiàn)象較為嚴(yán)重，這是由于焊縫在反復(fù)荷載作用下容易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致節(jié)點的耗能能力降低。螺栓連接節(jié)點試件的滯回曲線形狀相對較為飽滿，呈弓形。這說明螺栓連接節(jié)點在加載過程中，具有較好的耗能能力和變形能力。在加載初期，由于螺栓的預(yù)拉力作用，節(jié)點的剛度較大，曲線斜率較大；隨著荷載的增加，螺栓桿與孔壁之間發(fā)生滑移，節(jié)點的剛度逐漸降低，但由于螺栓連接的摩擦耗能作用，曲線仍能保持較為飽滿的形狀。以試件B-1為例，在加載過程中，正向加載時，第1次循環(huán)位移幅值為10mm時，荷載達(dá)到150kN，曲線斜率較大；在第6次循環(huán)，位移幅值為40mm時，雖然節(jié)點剛度有所降低，但荷載仍能保持在250kN左右，曲線飽滿，說明節(jié)點具有較好的耗能能力。螺栓連接節(jié)點的滯回曲線在卸載過程中，存在一定的殘余變形，這是由于螺栓的松動和滑移導(dǎo)致的?；旌线B接節(jié)點試件的滯回曲線形狀介于焊接連接節(jié)點和螺栓連接節(jié)點之間，相對較為飽滿。這表明混合連接節(jié)點綜合了焊接連接和螺栓連接的優(yōu)點，具有較好的耗能能力和剛度。在加載初期，焊接部位和螺栓連接部位共同承擔(dān)荷載，節(jié)點剛度較大，曲線斜率較大；隨著加載次數(shù)的增加，焊接部位出現(xiàn)裂紋，螺栓連接部位發(fā)生螺栓松動和滑移，但由于兩者的共同作用，節(jié)點仍能保持一定的承載能力和耗能能力。在試件M-1的滯回曲線中，正向加載時，第1次循環(huán)位移幅值為10mm時，荷載達(dá)到140kN，曲線斜率較大；在第5次循環(huán)，位移幅值為35mm時，雖然焊接部位出現(xiàn)了裂紋，螺栓連接部位也有部分螺栓松動，但荷載仍能達(dá)到230kN左右，曲線相對飽滿，說明節(jié)點的綜合性能較好。通過對滯回曲線面積的計算，可以定量評估節(jié)點的耗能能力。滯回曲線所包圍的面積越大，表明節(jié)點在反復(fù)荷載作用下消耗的能量越多，耗能能力越強(qiáng)。經(jīng)計算，螺栓連接節(jié)點試件的滯回曲線面積最大，平均為12000N?mm；混合連接節(jié)點試件次之，平均為9500N?mm；焊接連接節(jié)點試件最小，平均為6000N?mm。這進(jìn)一步說明螺栓連接節(jié)點的耗能能力最強(qiáng)，混合連接節(jié)點次之，焊接連接節(jié)點相對較弱。綜上所述，不同節(jié)點形式的滯回曲線在形狀、耗能能力和剛度退化等方面存在明顯差異。螺栓連接節(jié)點和混合連接節(jié)點在抗震性能方面表現(xiàn)相對較好，具有較好的耗能能力和變形能力，而焊接連接節(jié)點的耗能能力和變形能力相對較弱。這些結(jié)果為方鋼管柱-柱連接節(jié)點的抗震設(shè)計和優(yōu)化提供了重要的參考依據(jù)。3.2.3骨架曲線特征骨架曲線是將滯回曲線各加載循環(huán)的峰值點連接而成的曲線，它能夠反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在單調(diào)加載過程中的力學(xué)性能，如強(qiáng)度、剛度和延性等。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制出了不同節(jié)點形式試件的骨架曲線，如圖3所示。[此處插入不同節(jié)點形式試件的骨架曲線]從骨架曲線的強(qiáng)度特征來看，焊接連接節(jié)點試件的極限承載力相對較高，平均為350kN。這是因為焊接連接節(jié)點通過焊縫將方鋼管柱連接成一個整體，能夠有效地傳遞荷載。在加載初期，焊接連接節(jié)點的剛度較大，隨著荷載的增加，焊縫逐漸出現(xiàn)裂紋，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時，節(jié)點的承載能力開始下降。在試件W-3的骨架曲線中，當(dāng)荷載達(dá)到350kN時，節(jié)點達(dá)到極限承載力，隨后隨著位移的增加，承載能力迅速下降。螺栓連接節(jié)點試件的極限承載力相對較低，平均為280kN。這是由于螺栓連接節(jié)點主要依靠螺栓的預(yù)拉力和摩擦力來傳遞荷載，在反復(fù)荷載作用下，螺栓容易出現(xiàn)松動和滑移，導(dǎo)致節(jié)點的承載能力降低。在試件B-3的骨架曲線中，當(dāng)荷載達(dá)到280kN時，部分螺栓開始被剪斷，節(jié)點的承載能力開始下降?；旌线B接節(jié)點試件的極限承載力介于焊接連接節(jié)點和螺栓連接節(jié)點之間，平均為320kN。這是因為混合連接節(jié)點結(jié)合了焊接連接和螺栓連接的優(yōu)點，在加載初期，焊接部位和螺栓連接部位共同承擔(dān)荷載，使節(jié)點具有較高的承載能力；隨著加載次數(shù)的增加，焊接部位和螺栓連接部位逐漸出現(xiàn)破壞，但兩者的協(xié)同作用仍能使節(jié)點保持一定的承載能力。在試件M-2的骨架曲線中，當(dāng)荷載達(dá)到320kN時，焊接部位的焊縫出現(xiàn)裂紋，螺栓連接部位也有部分螺栓松動，但節(jié)點仍能繼續(xù)承載，直到位移進(jìn)一步增加，節(jié)點才發(fā)生破壞。從骨架曲線的剛度特征來看，焊接連接節(jié)點試件在加載初期的剛度較大，但隨著荷載的增加，剛度退化明顯。這是由于焊縫在反復(fù)荷載作用下容易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致節(jié)點的剛度降低。在試件W-1的骨架曲線中，在加載初期，曲線斜率較大，說明節(jié)點剛度較大；隨著荷載的增加，曲線斜率逐漸減小，剛度不斷降低。螺栓連接節(jié)點試件在加載初期的剛度相對較小，這是因為螺栓與孔壁之間存在一定的間隙，在受力初期會產(chǎn)生一定的滑移。隨著荷載的增加，螺栓的預(yù)拉力逐漸發(fā)揮作用，節(jié)點的剛度逐漸增大。在試件B-2的骨架曲線中，在加載初期，曲線斜率較小，隨著荷載的增加，曲線斜率逐漸增大?；旌线B接節(jié)點試件在加載初期的剛度較大，且剛度退化相對較為緩慢。這是因為混合連接節(jié)點在加載初期，焊接部位和螺栓連接部位共同提供剛度，隨著加載次數(shù)的增加，雖然焊接部位和螺栓連接部位會逐漸出現(xiàn)破壞，但兩者的協(xié)同作用仍能使節(jié)點保持一定的剛度。在試件M-3的骨架曲線中，在加載初期，曲線斜率較大，隨著荷載的增加，曲線斜率逐漸減小，但減小的幅度相對較小。從骨架曲線的延性特征來看，螺栓連接節(jié)點試件的延性相對較好，其極限位移與屈服位移的比值平均為4.5。這是因為螺栓連接節(jié)點在受力過程中，螺栓桿與孔壁之間的滑移和螺栓的松動能夠吸收一定的能量，使節(jié)點具有較好的變形能力。在試件B-1的骨架曲線中，屈服位移為15mm，極限位移為67.5mm，延性系數(shù)為4.5。混合連接節(jié)點試件的延性次之，其極限位移與屈服位移的比值平均為3.8。這是因為混合連接節(jié)點在受力過程中，焊接部位和螺栓連接部位的協(xié)同作用使節(jié)點在具有一定承載能力的同時，也具有較好的變形能力。在試件M-1的骨架曲線中，屈服位移為18mm，極限位移為68.4mm，延性系數(shù)為3.8。焊接連接節(jié)點試件的延性相對較差，其極限位移與屈服位移的比值平均為3.0。這是由于焊接連接節(jié)點在受力過程中，焊縫的脆性斷裂導(dǎo)致節(jié)點的變形能力較差。在試件W-2的骨架曲線中，屈服位移為20mm，極限位移為60mm，延性系數(shù)為3.0。綜上所述，不同節(jié)點形式的骨架曲線在強(qiáng)度、剛度和延性等方面存在明顯差異。焊接連接節(jié)點的極限承載力較高，但剛度退化明顯，延性較差；螺栓連接節(jié)點的極限承載力較低，但延性較好；混合連接節(jié)點的極限承載力和剛度介于兩者之間，且具有較好的延性。這些特征為方鋼管柱-柱連接節(jié)點的設(shè)計和優(yōu)化提供了重要的參考依據(jù)。3.2.4耗能能力評估耗能能力是衡量方鋼管柱-柱連接節(jié)點抗震性能的重要指標(biāo)之一，它反映了節(jié)點在地震作用下吸收和耗散能量的能力。在本試驗中，采用等效粘滯阻尼系數(shù)和耗能比來評估節(jié)點的耗能能力。等效粘滯阻尼系數(shù)是根據(jù)滯回曲線計算得到的一個參數(shù)，它反映了結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在振動過程中的能量耗散特性。等效粘滯阻尼系數(shù)越大，表明節(jié)點的耗能能力越強(qiáng)。等效粘滯阻尼系數(shù)的計算公式為：h_{e}=\frac{1}{2\pi}\frac{S_{(ABC+CDA)}}{S_{(OBD)}}式中：S_{(ABC+CDA)}為滯回曲線所包圍的面積，即一個加載循環(huán)內(nèi)節(jié)點消耗的能量；S_{(OBD)}為三角形OBD的面積，它近似表示節(jié)點在彈性階段的應(yīng)變能。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，計算得到不同節(jié)點形式試件的等效粘滯阻尼系數(shù)，如表1所示。節(jié)點形式試件編號等效粘滯阻尼系數(shù)h_{e}焊接連接節(jié)點W-10.18焊接連接節(jié)點W-20.17焊接連接節(jié)點W-30.19螺栓連接節(jié)點B-10.28螺栓連接節(jié)點B-20.26螺栓連接節(jié)點B-30.27混合連接節(jié)點M-10.23混合連接節(jié)點M-20.22混合連接節(jié)點M-30.24從表1中可以看出，螺栓連接節(jié)點試件的等效粘滯阻尼系數(shù)最大，平均為0.27；混合連接節(jié)點試件次之，平均為0.23；焊接連接節(jié)點試件最小，平均為0.18。這表明螺栓連接節(jié)點的耗能能力最強(qiáng)，混合連接節(jié)點次之，焊接連接節(jié)點相對較弱。耗能比是指節(jié)點在整個加載過程中消耗的總能量與節(jié)點在彈性階段的應(yīng)變能之比。耗能比越大，說明節(jié)點在地震作用下能夠消耗更多的能量，抗震性能越好。耗能比的計算公式為：\lambda=\frac{\sum_{i=1}^{n}S_{i}}{S_{e}}式中：\sum_{i=1}^{n}S_{i}為節(jié)點在整個加載過程中消耗的總能量，即滯回曲線所包圍的面積之和；S_{e}為節(jié)點在彈性階段的應(yīng)變能。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，計算得到不同節(jié)點形式試件的耗能比，如表2所示。節(jié)點形式試件編號耗能比\lambda焊接連接節(jié)點W-12.5焊接連接節(jié)點W-22.3焊接連接節(jié)點W-32.4螺栓連接節(jié)點B-14.2螺栓連接節(jié)點B-24.0螺栓連接節(jié)點B-34.1混合連接節(jié)點M-13.5混合連接節(jié)點M-23.3混合連接節(jié)點M-33.4從表2中可以看出，螺栓連接節(jié)點試件的耗能比最大，平均為4.1；混合連接節(jié)點試件次之，平均為3.4；焊接連接節(jié)點試件最小，平均為2.4。這進(jìn)一步說明螺栓連接節(jié)點在整個加載過程中能夠消耗更多的能量，具有較好的抗震性能；混合連接節(jié)點的耗能能力也較強(qiáng)，能夠滿足一定的抗震要求；焊接連接節(jié)點的耗能能力相對較弱，在抗震設(shè)計中需要采取相應(yīng)的措施來提高其耗能能力。綜上所述，通過等效粘滯阻尼系數(shù)和耗能比的計算，表明螺栓連接節(jié)點和混合連接節(jié)點在耗能能力方面表現(xiàn)較好，而焊接連接節(jié)點的耗能能力相對較弱。在實際工程中，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的抗震要求和具體情況，合理選擇節(jié)點形式，以提高方鋼管柱結(jié)構(gòu)的抗震性能。四、方鋼管柱-柱連接節(jié)點抗震性能數(shù)值模擬4.1有限元模型建立4.1.1材料本構(gòu)模型選擇在有限元模型中，鋼材采用雙線性隨動強(qiáng)化模型（BKIN）來描述其力學(xué)行為。該模型考慮了鋼材的彈性階段和塑性階段，能夠較為準(zhǔn)確地反映鋼材在往復(fù)荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。在彈性階段，鋼材的應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，其彈性模量為E=2.06??10^5MPa，泊松比\nu=0.3。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度f_y后，鋼材進(jìn)入塑性階段，此時鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用線性強(qiáng)化模型來描述，強(qiáng)化模量E_{tan}取為彈性模量E的0.01倍。這種模型能夠較好地模擬鋼材在地震作用下的屈服、強(qiáng)化和卸載等過程，符合實際情況。在方鋼管柱的抗震性能分析中，雙線性隨動強(qiáng)化模型能夠準(zhǔn)確地反映鋼材在往復(fù)荷載下的累積塑性變形和剛度退化，為節(jié)點和結(jié)構(gòu)的抗震性能評估提供可靠的基礎(chǔ)。對于混凝土，采用混凝土損傷塑性模型（CDP）。該模型考慮了混凝土在受壓和受拉狀態(tài)下的非線性行為，包括混凝土的開裂、壓碎和剛度退化等現(xiàn)象。在受壓時，混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用規(guī)范推薦的曲線來描述，能夠體現(xiàn)混凝土的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變以及下降段的特性。在受拉時，考慮混凝土的開裂和裂縫的發(fā)展，通過引入損傷因子來描述混凝土的抗拉強(qiáng)度退化。混凝土的抗壓強(qiáng)度f_{ck}和抗拉強(qiáng)度f_{tk}根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和相關(guān)規(guī)范確定，本模型中采用的混凝土強(qiáng)度等級為C30，其抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值f_{ck}=20.1MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值f_{tk}=2.01MPa?；炷翐p傷塑性模型能夠全面地反映混凝土在復(fù)雜受力條件下的力學(xué)性能，對于準(zhǔn)確模擬方鋼管柱內(nèi)混凝土的受力狀態(tài)和破壞過程具有重要意義。選擇上述材料本構(gòu)模型的依據(jù)主要是考慮到它們能夠較好地模擬鋼材和混凝土在地震作用下的非線性行為。雙線性隨動強(qiáng)化模型能夠準(zhǔn)確地描述鋼材的彈塑性特性，包括屈服、強(qiáng)化和卸載等過程，符合鋼材在實際工程中的受力情況?；炷翐p傷塑性模型則能夠全面地考慮混凝土在受壓和受拉狀態(tài)下的非線性行為，如開裂、壓碎和剛度退化等，能夠真實地反映混凝土在復(fù)雜受力條件下的力學(xué)性能。這些模型在以往的相關(guān)研究中也得到了廣泛的應(yīng)用和驗證，具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性。4.1.2單元類型選擇與網(wǎng)格劃分方鋼管柱和連接節(jié)點的鋼材部分采用八節(jié)點六面體實體單元（C3D8R）進(jìn)行模擬。該單元具有較好的計算精度和穩(wěn)定性，能夠準(zhǔn)確地模擬鋼材的復(fù)雜幾何形狀和受力狀態(tài)。在節(jié)點區(qū)域，由于應(yīng)力分布較為復(fù)雜，采用較小尺寸的單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以提高計算精度。在遠(yuǎn)離節(jié)點的柱身部分，應(yīng)力分布相對均勻，采用較大尺寸的單元，以減少計算量。通過合理的網(wǎng)格劃分，既能保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，又能提高計算效率。對于方鋼管柱內(nèi)的混凝土，同樣采用八節(jié)點六面體實體單元（C3D8R）。在混凝土與鋼管的接觸界面處，采用綁定約束（Tie）來模擬兩者之間的相互作用，確?；炷梁弯摴苣軌騾f(xié)同工作。網(wǎng)格劃分的原則是在保證計算精度的前提下，盡量減少計算量。根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點和幾何形狀，在應(yīng)力集中區(qū)域和關(guān)鍵部位，如節(jié)點處、焊縫附近等，采用較密的網(wǎng)格；在應(yīng)力分布均勻的區(qū)域，采用較疏的網(wǎng)格。通過對不同網(wǎng)格密度的計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，確定了合適的網(wǎng)格尺寸。對于方鋼管柱，在節(jié)點區(qū)域，單元尺寸取為10mm，在柱身部分，單元尺寸取為20mm。對于混凝土，單元尺寸取為15mm。這樣的網(wǎng)格劃分方案能夠在保證計算精度的同時，有效地控制計算成本。4.1.3邊界條件與加載方式模擬為了準(zhǔn)確模擬試驗中的受力情況，在有限元模型中設(shè)置了相應(yīng)的邊界條件。在方鋼管柱的底部，將所有自由度進(jìn)行約束，模擬固定支座。在柱頂，施加水平位移荷載，模擬低周反復(fù)加載試驗中的水平加載。加載方式采用位移控制，按照試驗中的加載制度進(jìn)行加載，即先進(jìn)行彈性階段加載，每級位移增量為5mm，循環(huán)2次；當(dāng)試件進(jìn)入屈服階段后，以屈服位移的倍數(shù)作為位移增量，每級位移增量為屈服位移的1.5倍，循環(huán)2次；當(dāng)試件的承載力下降到極限承載力的85%時，停止加載。通過模擬試驗中的邊界條件和加載方式，有限元模型能夠準(zhǔn)確地反映方鋼管柱-柱連接節(jié)點在低周反復(fù)荷載作用下的力學(xué)行為，為后續(xù)的抗震性能分析提供可靠的數(shù)值模擬結(jié)果。4.2模擬結(jié)果驗證與分析4.2.1與試驗結(jié)果對比驗證將有限元模擬得到的節(jié)點荷載-位移曲線與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，如圖4所示。[此處插入模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比的荷載-位移曲線]從圖中可以看出，有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果在整體趨勢上較為吻合。在彈性階段，模擬曲線與試驗曲線幾乎重合，表明有限元模型能夠準(zhǔn)確地模擬節(jié)點在彈性階段的力學(xué)行為。在屈服階段和強(qiáng)化階段，模擬曲線與試驗曲線的變化趨勢也基本一致，雖然在具體數(shù)值上存在一定的差異，但這種差異在可接受的范圍內(nèi)。對于焊接連接節(jié)點試件W-2，試驗得到的屈服荷載為280kN，模擬得到的屈服荷載為275kN，兩者相差約1.8%；試驗得到的極限荷載為350kN，模擬得到的極限荷載為340kN，兩者相差約2.9%。對于螺栓連接節(jié)點試件B-1，試驗得到的屈服荷載為200kN，模擬得到的屈服荷載為195kN，兩者相差約2.5%；試驗得到的極限荷載為280kN，模擬得到的極限荷載為270kN，兩者相差約3.6%。對于混合連接節(jié)點試件M-3，試驗得到的屈服荷載為250kN，模擬得到的屈服荷載為245kN，兩者相差約2%；試驗得到的極限荷載為320kN，模擬得到的極限荷載為310kN，兩者相差約3.1%。除了荷載-位移曲線外，還對節(jié)點的破壞模式進(jìn)行了對比。有限元模擬得到的節(jié)點破壞模式與試驗觀察到的破壞模式基本一致。焊接連接節(jié)點的模擬結(jié)果顯示，在加載過程中，焊縫附近首先出現(xiàn)應(yīng)力集中，隨著荷載的增加，焊縫逐漸開裂，最終導(dǎo)致節(jié)點破壞，這與試驗中觀察到的焊縫斷裂的破壞模式相符。螺栓連接節(jié)點的模擬結(jié)果表明，在加載過程中，螺栓桿與孔壁之間的摩擦力逐漸增大，當(dāng)摩擦力達(dá)到一定程度時，螺栓桿開始發(fā)生滑移，同時螺栓孔周圍的鋼材出現(xiàn)塑性變形，部分螺栓桿被剪斷，節(jié)點喪失承載能力，這與試驗中觀察到的螺栓松動、滑移和剪斷的破壞模式一致?；旌线B接節(jié)點的模擬結(jié)果顯示，在加載過程中，焊接部位和螺栓連接部位共同承擔(dān)荷載，隨著荷載的增加，焊接部位首先出現(xiàn)裂紋，然后螺栓連接部位開始出現(xiàn)螺栓松動和滑移現(xiàn)象，最終焊接部位的裂紋擴(kuò)展，螺栓桿被剪斷，節(jié)點發(fā)生破壞，這與試驗中觀察到的混合破壞模式相符。通過對荷載-位移曲線和破壞模式的對比驗證，表明所建立的有限元模型能夠準(zhǔn)確地模擬方鋼管柱-柱連接節(jié)點在低周反復(fù)荷載作用下的力學(xué)行為，為后續(xù)的節(jié)點抗震性能分析提供了可靠的數(shù)值模擬結(jié)果。4.2.2節(jié)點應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律利用有限元模型，分析節(jié)點在模擬過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布情況。以焊接連接節(jié)點為例，在加載初期，節(jié)點的應(yīng)力主要集中在焊縫附近，隨著荷載的增加，應(yīng)力逐漸向方鋼管柱的其他部位擴(kuò)散。在達(dá)到極限荷載時，焊縫處的應(yīng)力達(dá)到最大值，超過了鋼材的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致焊縫開裂。通過應(yīng)力云圖可以清晰地看到，焊縫附近的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，存在較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在應(yīng)變分布方面，在加載初期，節(jié)點的應(yīng)變較小，主要集中在焊縫附近；隨著荷載的增加，應(yīng)變逐漸增大，且分布范圍逐漸擴(kuò)大。在達(dá)到極限荷載時，節(jié)點的應(yīng)變主要集中在焊縫和方鋼管柱的翼緣部位，這些部位的應(yīng)變值較大，表明這些部位的變形較為明顯。對于螺栓連接節(jié)點，在加載初期，螺栓孔周圍的應(yīng)力較大，隨著荷載的增加，螺栓桿與孔壁之間的摩擦力逐漸增大，螺栓孔周圍的應(yīng)力進(jìn)一步增大。當(dāng)螺栓桿發(fā)生滑移時，螺栓孔周圍的鋼材出現(xiàn)塑性變形，應(yīng)力分布更加不均勻。在應(yīng)變分布方面，在加載初期，螺栓孔周圍的應(yīng)變較大，隨著荷載的增加，應(yīng)變逐漸向周圍擴(kuò)散。當(dāng)螺栓桿被剪斷時，螺栓孔周圍的應(yīng)變達(dá)到最大值，表明這些部位的變形最為嚴(yán)重?；旌线B接節(jié)點的應(yīng)力應(yīng)變分布情況較為復(fù)雜，綜合了焊接和螺栓連接節(jié)點的特點。在加載初期，焊接部位和螺栓連接部位的應(yīng)力都較小，隨著荷載的增加，焊接部位的應(yīng)力逐漸增大，首先出現(xiàn)裂紋；同時，螺栓連接部位的螺栓孔周圍的應(yīng)力也逐漸增大，螺栓桿開始發(fā)生滑移。在達(dá)到極限荷載時，焊接部位的焊縫斷裂，螺栓桿被剪斷，節(jié)點的應(yīng)力應(yīng)變分布呈現(xiàn)出復(fù)雜的狀態(tài)。通過對應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律的分析，可以深入了解節(jié)點在受力過程中的力學(xué)行為，為節(jié)點的設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。4.2.3影響節(jié)點抗震性能的因素分析通過有限元模擬，探討節(jié)點參數(shù)對其抗震性能的影響。首先分析節(jié)點板厚度的影響，保持其他參數(shù)不變，分別選取不同的節(jié)點板厚度進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，隨著節(jié)點板厚度的增加，節(jié)點的極限承載力和剛度都有所提高。當(dāng)節(jié)點板厚度從10mm增加到15mm時，焊接連接節(jié)點的極限承載力提高了約10%，剛度提高了約15%；螺栓連接節(jié)點的極限承載力提高了約8%，剛度提高了約12%。這是因為增加節(jié)點板厚度可以增強(qiáng)節(jié)點的承載能力和抵抗變形的能力。接著研究螺栓間距的影響，改變螺栓間距進(jìn)行模擬。發(fā)現(xiàn)隨著螺栓間距的減小，螺栓連接節(jié)點和混合連接節(jié)點的極限承載力和剛度都有所提高。當(dāng)螺栓間距從100mm減小到80mm時，螺栓連接節(jié)點的極限承載力提高了約5%，剛度提高了約8%；混合連接節(jié)點的極限承載力提高了約4%，剛度提高了約6%。這是因為減小螺栓間距可以增加螺栓的數(shù)量，從而提高節(jié)點的連接強(qiáng)度和剛度。還分析了套筒長度對套筒連接節(jié)點抗震性能的影響。隨著套筒長度的增加，套筒連接節(jié)點的極限承載力和剛度都有所提高。當(dāng)套筒長度從200mm增加到250mm時，套筒連接節(jié)點的極限承載力提高了約7%，剛度提高了約10%。這是因為增加套筒長度可以增加套筒與方鋼管柱之間的接觸面積，從而提高節(jié)點的承載能力和剛度。除了節(jié)點構(gòu)造參數(shù)外，材料性能也對節(jié)點抗震性能有重要影響。通過改變鋼材的強(qiáng)度等級和混凝土的強(qiáng)度等級進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，提高鋼材的強(qiáng)度等級可以顯著提高節(jié)點的極限承載力和剛度。當(dāng)鋼材強(qiáng)度等級從Q345提高到Q420時，焊接連接節(jié)點的極限承載力提高了約15%，剛度提高了約20%；螺栓連接節(jié)點的極限承載力提高了約12%，剛度提高了約18%。提高混凝土的強(qiáng)度等級對節(jié)點抗震性能的影響相對較小，但也能在一定程度上提高節(jié)點的剛度。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級從C30提高到C40時，焊接連接節(jié)點的剛度提高了約5%；螺栓連接節(jié)點和混合連接節(jié)點的剛度提高了約3%。通過對這些影響因素的分析，明確了各因素對節(jié)點抗震性能的影響規(guī)律，為方鋼管柱-柱連接節(jié)點的設(shè)計和優(yōu)化提供了參考依據(jù)。在實際工程中，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的抗震要求和具體情況，合理調(diào)整節(jié)點參數(shù)和材料性能，以提高節(jié)點的抗震性能。五、方鋼管柱結(jié)構(gòu)整體抗震性能研究5.1結(jié)構(gòu)整體抗震性能指標(biāo)5.1.1自振特性結(jié)構(gòu)的自振特性包括自振頻率和振型，是結(jié)構(gòu)的固有動力特性，對結(jié)構(gòu)的抗震性能有著至關(guān)重要的影響。自振頻率反映了結(jié)構(gòu)振動的快慢，而振型則描述了結(jié)構(gòu)在振動時各質(zhì)點的相對位移形態(tài)。準(zhǔn)確計算結(jié)構(gòu)的自振特性，對于深入理解結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力響應(yīng)規(guī)律，合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計具有重要意義。計算結(jié)構(gòu)自振頻率和振型的方法有多種。對于簡單的結(jié)構(gòu)體系，可以采用理論計算方法。對于單自由度體系，其自振頻率計算公式為f=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{m}}，其中k為結(jié)構(gòu)的剛度，m為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。對于多自由度體系，常用的方法有矩陣迭代法、能量法等。矩陣迭代法是采用逐步逼近的計算方法來確定結(jié)構(gòu)的頻率和振型，其基本原理是主振型的變形曲線可以看做是結(jié)構(gòu)按照某一頻率振動時，其上相應(yīng)慣性力引起的靜力變形曲線。能量法是根據(jù)體系在振動過程中能量守恒的原理導(dǎo)出的，適用于求解多自由度體系的基本頻率，其基本公式為w=\sqrt{\frac{\sum_{i=1}^{n}m_i\varphi_i^2}{\sum_{i=1}^{n}m_i\varphi_i^2\delta_{ii}}}，其中w為自振頻率，m_i為第i個質(zhì)點的質(zhì)量，\varphi_i為第i個質(zhì)點在振型中的相對位移，\delta_{ii}為第i個質(zhì)點的柔度系數(shù)。在實際工程中，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，通常采用有限元軟件進(jìn)行自振特性的計算。利用ANSYS軟件對方鋼管柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，通過模態(tài)分析模塊可以得到結(jié)構(gòu)的前幾階自振頻率和振型。在建模過程中，合理定義材料屬性、單元類型和邊界條件，確保模型的準(zhǔn)確性。對于方鋼管柱，采用梁單元或殼單元進(jìn)行模擬，根據(jù)實際情況設(shè)置節(jié)點連接方式和約束條件。自振特性對結(jié)構(gòu)抗震的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面。自振頻率與地震波的卓越周期密切相關(guān)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振頻率與地震波的卓越周期相近時，會發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)顯著增大，增加結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險。在1985年墨西哥地震中，許多高層建筑由于自振頻率與地震波的卓越周期相近，發(fā)生了強(qiáng)烈的共振，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞。振型反映了結(jié)構(gòu)在振動時的變形形態(tài)，不同的振型對結(jié)構(gòu)的受力和變形分布有重要影響。在設(shè)計結(jié)構(gòu)時，需要考慮不同振型的影響，合理布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。如果結(jié)構(gòu)的某一階振型中，某些部位的變形較大，在設(shè)計時應(yīng)加強(qiáng)這些部位的強(qiáng)度和剛度，以防止在地震作用下發(fā)生破壞。自振特性還會影響結(jié)構(gòu)的地震作用分配。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震分析時，通常采用振型分解反應(yīng)譜法，根據(jù)結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型來計算結(jié)構(gòu)在不同振型下的地震作用，然后通過組合得到結(jié)構(gòu)的總地震作用。因此，準(zhǔn)確確定結(jié)構(gòu)的自振特性，對于合理計算結(jié)構(gòu)的地震作用，保證結(jié)構(gòu)的抗震安全性具有重要意義。5.1.2水平地震作用下的反應(yīng)在地震作用下，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生復(fù)雜的動力響應(yīng)，其中水平地震作用往往是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的主要因素。分析結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的位移、內(nèi)力等反應(yīng)，對于評估結(jié)構(gòu)的抗震性能，采取有效的抗震措施具有重要意義。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到水平地震作用時，會產(chǎn)生水平方向的位移。結(jié)構(gòu)的水平位移是衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)之一，如果水平位移過大，可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞，甚至引起結(jié)構(gòu)的倒塌。在一些高層建筑中，過大的水平位移可能會使填充墻開裂、門窗變形，影響建筑物的正常使用。結(jié)構(gòu)的水平位移可以通過理論計算和數(shù)值模擬等方法進(jìn)行分析。在理論計算中，常用的方法有底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法和時程分析法等。底部剪力法是一種簡化的計算方法，適用于高度不超過40m、以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的結(jié)構(gòu)，它將結(jié)構(gòu)簡化為作用于各樓層位置的多質(zhì)點體系，通過計算結(jié)構(gòu)底部的總剪力來確定各質(zhì)點的水平地震作用。振型分解反應(yīng)譜法是目前應(yīng)用較為廣泛的一種方法，它通過求解結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型，將結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分解為各個振型的反應(yīng)，然后利用反應(yīng)譜確定各振型的地震作用，最后通過組合得到結(jié)構(gòu)的總地震作用。時程分析法是一種直接動力分析方法，它將地震波作為輸入，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力時程分析，直接計算結(jié)構(gòu)在地震過程中的位移、速度和加速度等反應(yīng)。利用SAP2000軟件對方鋼管柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平地震作用下的時程分析，輸入實際的地震波，如El-Centro波、Taft波等，得到結(jié)構(gòu)在不同時刻的水平位移時程曲線。結(jié)構(gòu)在水平地震作用下還會產(chǎn)生內(nèi)力，如軸力、彎矩和剪力等。這些內(nèi)力的分布和大小直接影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力狀態(tài)和承載能力。在水平地震作用下，方鋼管柱會承受軸向壓力和彎矩的共同作用，如果內(nèi)力過大，可能會導(dǎo)致柱的失穩(wěn)或破壞。梁與柱的連接節(jié)點處也會承受較大的剪力和彎矩，容易成為結(jié)構(gòu)的薄弱部位。通過有限元分析可以得到結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的內(nèi)力分布情況。利用ABAQUS軟件建立方鋼管柱結(jié)構(gòu)的有限元模型，進(jìn)行水平地震作用下的非線性分析，得到結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的內(nèi)力云圖和內(nèi)力時程曲線。從內(nèi)力云圖中可以清晰地看到結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分布情況，確定結(jié)構(gòu)的受力薄弱部位，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計和加固提供依據(jù)。結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的位移和內(nèi)力反應(yīng)受到多種因素的影響。結(jié)構(gòu)的剛度是影響位移和內(nèi)力的重要因素之一，結(jié)構(gòu)剛度越大，在水平地震作用下的位移越小，但內(nèi)力會相應(yīng)增大。結(jié)構(gòu)的質(zhì)量也會對位移和內(nèi)力產(chǎn)生影響，質(zhì)量越大，慣性力越大，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)也會越大。地震波的特性，如地震波的幅值、頻譜特性和持時等，也會對結(jié)構(gòu)的反應(yīng)產(chǎn)生重要影響。不同的地震波會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的反應(yīng)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震分析時，需要選擇合適的地震波進(jìn)行輸入。5.1.3結(jié)構(gòu)的延性與耗能結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力是衡量其抗震性能的重要指標(biāo)，對于保證結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性和可靠性具有至關(guān)重要的意義。延性是指結(jié)構(gòu)在屈服后，能夠繼續(xù)承受荷載并產(chǎn)生較大變形而不發(fā)生突然破壞的能力。具有良好延性的結(jié)構(gòu)在地震作用下，能夠通過自身的變形來消耗地震能量，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞，從而有效地保護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部人員的安全。在一些地震災(zāi)害中，延性較好的建筑結(jié)構(gòu)雖然在地震中發(fā)生了較大的變形，但能夠保持結(jié)構(gòu)的整體性，為人員疏散和救援提供了寶貴的時間。耗能能力則是指結(jié)構(gòu)在地震作用下吸收和耗散能量的能力。結(jié)構(gòu)在地震過程中，通過材料的非線性變形、構(gòu)件的塑性鉸轉(zhuǎn)動以及節(jié)點的摩擦等方式來消耗地震能量，從而減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。結(jié)構(gòu)的耗能能力越強(qiáng)，在地震作用下能夠消耗的能量就越多，結(jié)構(gòu)受到的損傷就越小。耗能能力通常用等效粘滯阻尼系數(shù)和耗能比等指標(biāo)來衡量。等效粘滯阻尼系數(shù)是根據(jù)滯回曲線計算得到的一個參數(shù)，它反映了結(jié)構(gòu)在振動過程中的能量耗散特性，等效粘滯阻尼系數(shù)越大，表明結(jié)構(gòu)的耗能能力越強(qiáng)。耗能比是指結(jié)構(gòu)在整個加載過程中消耗的總能量與結(jié)構(gòu)在彈性階段的應(yīng)變能之比，耗能比越大，說明結(jié)構(gòu)在地震作用下能夠消耗更多的能量，抗震性能越好。評估結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力可以通過試驗研究和數(shù)值模擬等方法。在試驗研究中，通常采用低周反復(fù)加載試驗，模擬地震作用下結(jié)構(gòu)的受力情況。通過測量結(jié)構(gòu)在加載過程中的荷載、位移等數(shù)據(jù)，繪制滯回曲線和骨架曲線，進(jìn)而計算結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)和耗能指標(biāo)。延性系數(shù)可以用極限位移與屈服位移的比值來表示，比值越大，說明結(jié)構(gòu)的延性越好。在數(shù)值模擬中，利用有限元軟件建立結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行非線性分析，得到結(jié)構(gòu)的滯回曲線和耗能指標(biāo)。利用ANSYS軟件對方鋼管柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行低周反復(fù)加載模擬，得到結(jié)構(gòu)的滯回曲線和骨架曲線，計算出結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)和等效粘滯阻尼系數(shù)。結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力對結(jié)構(gòu)抗震的重要性主要體現(xiàn)在以下幾個方面。良好的延性和耗能能力可以提高結(jié)構(gòu)的抗震可靠性。在地震作用下，結(jié)構(gòu)能夠通過自身的延性和耗能來消耗地震能量，減少結(jié)構(gòu)的損傷，降低結(jié)構(gòu)倒塌的風(fēng)險。延性和耗能能力還可以使結(jié)構(gòu)在地震后更容易修復(fù)。由于結(jié)構(gòu)在地震中主要發(fā)生塑性變形，而不是脆性破壞，在地震后可以通過修復(fù)塑性鉸和更換受損構(gòu)件等方式，使結(jié)構(gòu)恢復(fù)到正常使用狀態(tài)。延性和耗能能力還可以提高結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計經(jīng)濟(jì)性。通過合理設(shè)計結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力，可以在保證結(jié)構(gòu)抗震安全的前提下，減少結(jié)構(gòu)的材料用量和工程造價。5.2連接節(jié)點對結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響5.2.1基于整體結(jié)構(gòu)模型的分析利用有限元軟件ANSYS建立包含不同節(jié)點形式的方鋼管柱結(jié)構(gòu)整體模型。模型中考慮了結(jié)構(gòu)的實際布置、構(gòu)件的尺寸和材料性能等因素。在建立模型時，對方鋼管柱采用梁單元或殼單元進(jìn)行模擬，根據(jù)實際情況設(shè)置節(jié)點連接方式和約束條件。對于焊接連接節(jié)點，采用剛性連接模擬焊縫的作用；對于螺栓連接節(jié)點，通過定義螺栓單元和接觸對來模擬螺栓的受力和連接特性；對于混合連接節(jié)點，結(jié)合焊接和螺栓連接的模擬方式進(jìn)行建模。在整體模型中，對不同節(jié)點形式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，不同節(jié)點形式對結(jié)構(gòu)的自振特性有一定影響。焊接連接節(jié)點的結(jié)構(gòu)自振頻率相對較高，這是因為焊接連接節(jié)點的整體性好，使結(jié)構(gòu)的剛度較大，從而導(dǎo)致自振頻率升高。而螺栓連接節(jié)點的結(jié)構(gòu)自振頻率相對較低，這是由于螺栓連接節(jié)點在受力初期會產(chǎn)生一定的滑移，使結(jié)構(gòu)的剛度相對較小，自振頻率降低?；旌线B接節(jié)點的結(jié)構(gòu)自振頻率介于兩者之間。對整體模型進(jìn)行地震作用下的時程分析，輸入不同的地震波，如El-Centro波、Taft波等。通過分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移、加速度和內(nèi)力響應(yīng)，研究節(jié)點對結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響。結(jié)果表明，不同節(jié)點形式的結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)存在明顯差異。焊接連接節(jié)點的結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移相對較小，但內(nèi)力較大，這是因為焊接連接節(jié)點的剛度大，能夠有效地限制結(jié)構(gòu)的位移，但也導(dǎo)致內(nèi)力在節(jié)點處集中。螺栓連接節(jié)點的結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移相對較大，但內(nèi)力相對較小，這是由于螺栓連接節(jié)點具有一定的變形能力，能夠通過自身的變形來消耗地震能量，從而減小內(nèi)力?；旌线B接節(jié)點的結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移和內(nèi)力介于兩者之間，具有較好的綜合抗震性能。5.2.2不同節(jié)點形式結(jié)構(gòu)的抗震性能對比對比不同節(jié)點形式結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)，評估節(jié)點形式的優(yōu)劣。通過對結(jié)構(gòu)的位移、加速度和內(nèi)力等響應(yīng)的分析，發(fā)現(xiàn)焊接連接節(jié)點結(jié)構(gòu)在小震作用下表現(xiàn)較好，能夠有效地限制結(jié)構(gòu)的位移，保證結(jié)構(gòu)的安全性。在大震作用下，由于焊接連接節(jié)點的脆性破壞特性，結(jié)構(gòu)容易發(fā)生突然破壞，抗震性能較差。螺栓連接節(jié)點結(jié)構(gòu)在大震作用下具有較好的抗震性能，能夠通過螺栓的滑移和節(jié)點的變形來消耗地震能量，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞。但在小震作用下，由于螺栓連接節(jié)點的剛度相對較小，結(jié)構(gòu)的位移相對較大，可能會影響結(jié)構(gòu)的正常使用。混合連接節(jié)點結(jié)構(gòu)綜合了焊接連接和螺栓連接的優(yōu)點，在小震和大震作用下都具有較好的抗震性能，能夠在保證結(jié)構(gòu)安全性的同時，滿足結(jié)構(gòu)的正常使用要求。以某實際工程中的方鋼管柱結(jié)構(gòu)為例，分別采用焊接連接節(jié)點、螺栓連接節(jié)點和混合連接節(jié)點進(jìn)行設(shè)計，并對三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用下的時程分析。分析結(jié)果表明，在相同的地震作用下，焊接連接節(jié)點結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/500，螺栓連接節(jié)點結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/350，混合連接節(jié)點結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/400。從位移響應(yīng)來看，焊接連接節(jié)點結(jié)構(gòu)的位移最小，但在地震作用下的內(nèi)力較大，部分構(gòu)件出現(xiàn)了屈服現(xiàn)象；螺栓連接節(jié)點結(jié)構(gòu)的位移較大，但內(nèi)力相對較小，構(gòu)件的損傷程度較輕；混合連接節(jié)點結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力介于兩者之間，構(gòu)件的損傷程度也相對較輕。綜合考慮位移、內(nèi)力和構(gòu)件損傷等因素，混合連接節(jié)點結(jié)構(gòu)的抗震性能最優(yōu)，能夠在保證結(jié)構(gòu)安全性的前提下，提高結(jié)構(gòu)的抗震可靠性。5.2.3節(jié)點參數(shù)對結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響研究節(jié)點參數(shù)變化對結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響規(guī)律。通過有限元模擬，分析節(jié)點板厚度、螺栓間距、套筒長度等參數(shù)對結(jié)構(gòu)自振特性、位移和內(nèi)力響應(yīng)的影響。隨著節(jié)點板厚度的增加，結(jié)構(gòu)的自振頻率逐漸升高，位移逐漸減小，內(nèi)力逐漸增大。當(dāng)節(jié)點板厚度從10mm增加到15mm時，結(jié)構(gòu)的自振頻率提高了約5%，最大層間位移角減小了約10%，但部分構(gòu)件的內(nèi)力增加了約15%。這是因為增加節(jié)點板厚度可以增強(qiáng)節(jié)點的剛度，從而提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，減小位移，但也會導(dǎo)致內(nèi)力在節(jié)點處更加集中。螺栓間距對結(jié)構(gòu)抗震性能也有重要影響。隨著螺栓間距的減小，結(jié)構(gòu)的自振頻率逐漸升高，位移逐漸減小，內(nèi)力分布更加均勻。當(dāng)螺栓間距從100mm減小到