不同裝配節(jié)點(diǎn)對輕型鋼管再生混凝土框架抗震性能的影響及優(yōu)化策略

不同裝配節(jié)點(diǎn)對輕型鋼管再生混凝土框架抗震性能的影響及優(yōu)化策略一、引言1.1研究背景與意義隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，建筑行業(yè)面臨著資源短缺、環(huán)境污染以及建筑安全等諸多挑戰(zhàn)。在可持續(xù)發(fā)展理念的引領(lǐng)下，新型建筑材料和結(jié)構(gòu)體系的研發(fā)與應(yīng)用成為建筑領(lǐng)域的重要課題。輕型鋼管再生混凝土框架作為一種融合了鋼材和再生混凝土優(yōu)勢的新型結(jié)構(gòu)體系，因其具有輕質(zhì)高強(qiáng)、施工便捷、節(jié)能環(huán)保等顯著特點(diǎn)，在建筑領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。鋼材具有良好的抗拉強(qiáng)度和延性，能夠有效地承受拉力和變形；而再生混凝土則是利用廢棄混凝土經(jīng)過破碎、篩分等工藝處理后重新作為骨料配制而成，既解決了建筑垃圾的處理難題，又實(shí)現(xiàn)了資源的循環(huán)利用，符合綠色建筑發(fā)展的要求。將再生混凝土填充于輕型鋼管內(nèi)形成的組合結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了鋼材和再生混凝土的協(xié)同工作性能，使結(jié)構(gòu)在具有較高承載力的同時(shí)，還具備良好的塑性和韌性。在實(shí)際工程中，裝配式建筑因其工業(yè)化程度高、施工速度快、現(xiàn)場濕作業(yè)少等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到青睞。裝配節(jié)點(diǎn)作為裝配式輕型鋼管再生混凝土框架的關(guān)鍵部位，承擔(dān)著傳遞內(nèi)力和保證結(jié)構(gòu)整體性的重要作用，其性能直接影響到整個(gè)框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。不同類型的裝配節(jié)點(diǎn)在受力特性、傳力機(jī)制以及破壞模式等方面存在顯著差異，這些差異將導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)各不相同。若裝配節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不合理，在地震作用下可能會(huì)率先發(fā)生破壞，進(jìn)而引發(fā)整個(gè)結(jié)構(gòu)的倒塌，嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，深入研究不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架的抗震性能，對于優(yōu)化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、提高結(jié)構(gòu)抗震能力具有至關(guān)重要的意義。從理論研究層面來看，目前針對輕型鋼管再生混凝土框架的研究主要集中在構(gòu)件的基本力學(xué)性能方面，對于裝配節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究相對較少，且現(xiàn)有研究成果尚不足以全面揭示不同裝配節(jié)點(diǎn)在復(fù)雜地震作用下的力學(xué)行為和破壞機(jī)理。不同裝配節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式、連接方式以及材料性能等因素相互交織，使得其抗震性能的研究變得極為復(fù)雜。通過開展本研究，能夠進(jìn)一步豐富和完善輕型鋼管再生混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震理論體系，為后續(xù)的研究提供更為堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。從工程應(yīng)用角度而言，準(zhǔn)確掌握不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架的抗震性能，有助于工程師在設(shè)計(jì)階段根據(jù)具體工程需求選擇合適的節(jié)點(diǎn)形式，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和連接方式，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震可靠性。在地震頻發(fā)地區(qū)，采用抗震性能優(yōu)良的裝配節(jié)點(diǎn)能夠有效增強(qiáng)建筑物的抗震能力，減少地震災(zāi)害造成的損失。此外，研究成果還可為相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供科學(xué)依據(jù)，推動(dòng)輕型鋼管再生混凝土框架結(jié)構(gòu)在建筑工程中的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1輕型鋼管再生混凝土框架研究現(xiàn)狀國外對于輕型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究起步較早，在構(gòu)件的力學(xué)性能、設(shè)計(jì)理論以及工程應(yīng)用等方面取得了一系列成果。在力學(xué)性能研究方面，學(xué)者們通過試驗(yàn)和理論分析，深入探討了輕型鋼管混凝土構(gòu)件在軸心受壓、偏心受壓以及受彎等不同受力狀態(tài)下的性能。研究表明，鋼管對內(nèi)部混凝土的約束作用能夠顯著提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性，使得構(gòu)件具有良好的力學(xué)性能。在設(shè)計(jì)理論方面，國外已經(jīng)形成了較為成熟的設(shè)計(jì)規(guī)范和方法，如美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)（AISC）制定的相關(guān)規(guī)范，為輕型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。在工程應(yīng)用方面，輕型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在橋梁、高層建筑等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，例如日本的一些橋梁和建筑工程中，采用輕型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。國內(nèi)對輕型鋼管再生混凝土框架的研究相對較晚，但近年來隨著對可持續(xù)發(fā)展和綠色建筑的重視，相關(guān)研究也取得了快速進(jìn)展。在構(gòu)件力學(xué)性能研究方面，眾多學(xué)者通過試驗(yàn)研究了輕型鋼管再生混凝土短柱、長柱以及框架的受壓性能、受彎性能和抗震性能等。研究發(fā)現(xiàn)，再生混凝土的使用對構(gòu)件的力學(xué)性能有一定影響，但通過合理的設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施，可以使其性能滿足工程要求。在理論分析方面，國內(nèi)學(xué)者基于試驗(yàn)結(jié)果，建立了一些考慮再生混凝土特性的理論模型，用于預(yù)測構(gòu)件的力學(xué)性能和分析結(jié)構(gòu)的受力行為。在工程應(yīng)用方面，雖然輕型鋼管再生混凝土框架的應(yīng)用還相對較少，但一些試點(diǎn)工程已經(jīng)開始嘗試采用這種新型結(jié)構(gòu)體系，為其進(jìn)一步推廣應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。1.2.2裝配節(jié)點(diǎn)抗震性能研究現(xiàn)狀國外在裝配式結(jié)構(gòu)裝配節(jié)點(diǎn)抗震性能研究方面投入了大量精力，取得了豐富的成果。在節(jié)點(diǎn)形式方面，開發(fā)了多種類型的裝配節(jié)點(diǎn)，如焊接節(jié)點(diǎn)、螺栓連接節(jié)點(diǎn)、預(yù)應(yīng)力連接節(jié)點(diǎn)等，并對不同節(jié)點(diǎn)形式的抗震性能進(jìn)行了深入研究。研究表明，不同節(jié)點(diǎn)形式在受力性能、破壞模式和耗能能力等方面存在差異，例如焊接節(jié)點(diǎn)具有較高的強(qiáng)度和剛度，但延性相對較差；螺栓連接節(jié)點(diǎn)安裝方便，延性較好，但在地震作用下可能會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。在節(jié)點(diǎn)抗震性能評估方法方面，建立了完善的評估體系，包括節(jié)點(diǎn)的抗震承載力、延性、耗能能力等指標(biāo)的計(jì)算方法和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。此外，國外還通過大量的足尺試驗(yàn)和數(shù)值模擬，對裝配節(jié)點(diǎn)在地震作用下的力學(xué)行為進(jìn)行了詳細(xì)分析，為節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了依據(jù)。國內(nèi)對裝配式結(jié)構(gòu)裝配節(jié)點(diǎn)抗震性能的研究也在不斷深入。在節(jié)點(diǎn)形式創(chuàng)新方面，結(jié)合國內(nèi)工程實(shí)際和材料特點(diǎn)，提出了一些具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型裝配節(jié)點(diǎn)，如采用新型連接材料和構(gòu)造方式的節(jié)點(diǎn)，以提高節(jié)點(diǎn)的抗震性能和施工效率。在試驗(yàn)研究方面，開展了大量的低周反復(fù)加載試驗(yàn)，研究不同類型裝配節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)、滯回性能、耗能能力和延性等抗震性能指標(biāo)。通過試驗(yàn)結(jié)果分析，總結(jié)了節(jié)點(diǎn)的破壞規(guī)律和抗震性能影響因素，為節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了試驗(yàn)依據(jù)。在數(shù)值模擬方面，利用有限元分析軟件，建立了精細(xì)化的節(jié)點(diǎn)模型，對節(jié)點(diǎn)在復(fù)雜受力狀態(tài)下的力學(xué)行為進(jìn)行模擬分析，研究節(jié)點(diǎn)的傳力機(jī)制和薄弱環(huán)節(jié)，為節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論支持。1.2.3研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足綜上所述，國內(nèi)外在輕型鋼管再生混凝土框架及裝配節(jié)點(diǎn)抗震性能方面已經(jīng)取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足之處。在輕型鋼管再生混凝土框架研究方面，雖然對構(gòu)件的基本力學(xué)性能有了較為深入的了解，但對于框架結(jié)構(gòu)在復(fù)雜地震作用下的整體性能研究還不夠全面，尤其是考慮再生混凝土材料性能變異性和結(jié)構(gòu)非線性行為的研究相對較少。在裝配節(jié)點(diǎn)抗震性能研究方面，雖然對各種節(jié)點(diǎn)形式的抗震性能進(jìn)行了研究，但不同節(jié)點(diǎn)形式之間的對比研究還不夠系統(tǒng)，缺乏對節(jié)點(diǎn)抗震性能影響因素的全面分析和量化研究。此外，目前對于裝配節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)方法還不夠完善，缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，難以滿足工程實(shí)際需求。因此，針對現(xiàn)有研究的不足，開展不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架抗震性能的研究具有重要的必要性和創(chuàng)新性。通過對不同裝配節(jié)點(diǎn)形式的系統(tǒng)研究，深入分析其在地震作用下的力學(xué)行為和破壞機(jī)理，建立考慮多種因素的抗震性能評估方法和設(shè)計(jì)理論，將為輕型鋼管再生混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供更加科學(xué)、可靠的依據(jù)。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究旨在深入探究不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架的抗震性能，具體研究內(nèi)容如下：不同裝配節(jié)點(diǎn)形式的設(shè)計(jì)與制作：根據(jù)現(xiàn)有研究成果和工程實(shí)際需求，設(shè)計(jì)多種具有代表性的裝配節(jié)點(diǎn)形式，如焊接節(jié)點(diǎn)、螺栓連接節(jié)點(diǎn)、銷栓連接節(jié)點(diǎn)等，并制作相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)試件。在設(shè)計(jì)過程中，充分考慮節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造細(xì)節(jié)、連接方式以及材料性能等因素，確保節(jié)點(diǎn)的可靠性和可施工性。節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究：對制作好的節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，通過測量試件在加載過程中的荷載-位移曲線、應(yīng)變分布、裂縫開展等數(shù)據(jù)，研究不同裝配節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)、滯回性能、耗能能力和延性等抗震性能指標(biāo)。分析試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)不同節(jié)點(diǎn)形式的抗震性能特點(diǎn)和破壞規(guī)律，找出影響節(jié)點(diǎn)抗震性能的關(guān)鍵因素。輕型鋼管再生混凝土框架整體抗震性能試驗(yàn)：以設(shè)計(jì)的不同裝配節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，制作多個(gè)輕型鋼管再生混凝土框架試件，進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)和擬動(dòng)力試驗(yàn)。擬靜力試驗(yàn)采用低周反復(fù)加載方式，研究框架在水平荷載作用下的破壞模式、承載能力、剛度退化和耗能性能等；擬動(dòng)力試驗(yàn)通過模擬地震波輸入，研究框架在實(shí)際地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)和抗震性能。對比不同裝配節(jié)點(diǎn)框架的試驗(yàn)結(jié)果，評估不同節(jié)點(diǎn)形式對框架整體抗震性能的影響。數(shù)值模擬與參數(shù)分析：利用有限元分析軟件，建立不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架的精細(xì)化數(shù)值模型。通過將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。在此基礎(chǔ)上，開展參數(shù)分析，研究節(jié)點(diǎn)構(gòu)造參數(shù)（如螺栓間距、焊縫長度、銷栓直徑等）、材料參數(shù)（如鋼材強(qiáng)度、再生混凝土強(qiáng)度等）以及框架幾何參數(shù)（如柱高、梁跨等）對框架抗震性能的影響規(guī)律，為節(jié)點(diǎn)和框架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。抗震性能評估方法與設(shè)計(jì)理論研究：基于試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬結(jié)果，建立考慮多種因素的不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架抗震性能評估方法，提出相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)指標(biāo)和設(shè)計(jì)方法。結(jié)合工程實(shí)際，制定設(shè)計(jì)流程和構(gòu)造要求，為該結(jié)構(gòu)體系的抗震設(shè)計(jì)提供科學(xué)、實(shí)用的理論指導(dǎo)。1.3.2研究方法為實(shí)現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將綜合運(yùn)用試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析等多種方法：試驗(yàn)研究方法：試驗(yàn)研究是本課題的重要研究手段，包括節(jié)點(diǎn)試件試驗(yàn)和框架試件試驗(yàn)。在節(jié)點(diǎn)試件試驗(yàn)中，采用電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)對節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行低周反復(fù)加載，加載制度依據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)制定，以模擬地震作用下節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)。通過在試件上布置應(yīng)變片、位移計(jì)等傳感器，實(shí)時(shí)采集荷載、位移、應(yīng)變等數(shù)據(jù)，并采用高清攝像機(jī)記錄試件的裂縫開展和破壞過程。在框架試件試驗(yàn)中，擬靜力試驗(yàn)同樣采用電液伺服加載系統(tǒng)，按照位移控制的方式進(jìn)行加載；擬動(dòng)力試驗(yàn)則利用地震模擬振動(dòng)臺(tái)，輸入不同的地震波，通過傳感器測量框架在地震作用下的加速度、位移和應(yīng)變等響應(yīng)。數(shù)值模擬方法：運(yùn)用通用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬分析。在建模過程中，選用合適的單元類型來模擬鋼材、再生混凝土和連接部件等，如采用實(shí)體單元模擬混凝土和鋼材，采用桁架單元或彈簧單元模擬連接部件。考慮材料的非線性本構(gòu)關(guān)系，如鋼材的彈塑性本構(gòu)關(guān)系和再生混凝土的損傷塑性本構(gòu)關(guān)系，以及接觸關(guān)系和邊界條件的合理設(shè)置。通過與試驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證模型的有效性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)分析，研究不同參數(shù)對框架抗震性能的影響。理論分析方法：基于試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬結(jié)果，從理論層面分析不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架的受力機(jī)理和破壞機(jī)制。運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)和抗震理論等知識(shí)，建立節(jié)點(diǎn)和框架的力學(xué)模型，推導(dǎo)相關(guān)計(jì)算公式，如節(jié)點(diǎn)的承載力計(jì)算公式、框架的剛度和位移計(jì)算公式等。通過理論分析，揭示節(jié)點(diǎn)和框架的抗震性能與各影響因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，為抗震性能評估方法和設(shè)計(jì)理論的建立提供理論支持。二、輕型鋼管再生混凝土框架及裝配節(jié)點(diǎn)概述2.1輕型鋼管再生混凝土框架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.1.1材料特性輕型鋼管再生混凝土框架主要由輕型鋼管和再生混凝土兩種材料組成。輕型鋼管通常采用薄壁鋼管，其具有強(qiáng)度高、重量輕、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)。鋼材的屈服強(qiáng)度一般在235MPa以上，能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)提供良好的抗拉和抗彎能力。薄壁鋼管的使用不僅減輕了結(jié)構(gòu)的自重，還降低了鋼材的用量，提高了經(jīng)濟(jì)效益。再生混凝土是將廢棄混凝土經(jīng)過破碎、篩分、清洗等一系列處理后，重新作為骨料配制而成的混凝土。與普通混凝土相比，再生混凝土的骨料表面附著有舊水泥漿，導(dǎo)致其骨料與水泥漿之間的粘結(jié)性能相對較弱，從而使再生混凝土的強(qiáng)度和彈性模量略有降低。然而，通過合理的配合比設(shè)計(jì)和外加劑的使用，可以有效改善再生混凝土的性能，使其滿足工程要求。再生混凝土的抗壓強(qiáng)度一般在C20-C40之間，能夠承受一定的壓力。在輕型鋼管再生混凝土框架中，鋼管和再生混凝土通過粘結(jié)力相互協(xié)同工作。鋼管對再生混凝土起到約束作用，抑制了混凝土在受壓過程中的橫向變形，從而提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性。同時(shí)，再生混凝土填充在鋼管內(nèi)部，防止了鋼管的局部屈曲，增強(qiáng)了鋼管的穩(wěn)定性。這種協(xié)同工作機(jī)制使得輕型鋼管再生混凝土框架具有良好的力學(xué)性能，能夠承受較大的荷載和變形。2.1.2結(jié)構(gòu)優(yōu)勢承載力高：由于鋼管對再生混凝土的約束作用，使得輕型鋼管再生混凝土框架的承載力得到顯著提高。與普通鋼筋混凝土框架相比，在相同截面尺寸和材料強(qiáng)度的情況下，輕型鋼管再生混凝土框架的受壓承載力可提高30%-50%，能夠滿足大跨度和重載結(jié)構(gòu)的需求。例如，在某大型工業(yè)廠房的建設(shè)中，采用輕型鋼管再生混凝土框架柱，其承載能力比傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱提高了40%，有效減少了柱的數(shù)量和截面尺寸，增加了廠房的使用空間?？拐鹦阅芎茫轰摬牡牧己醚有院驮偕炷恋暮哪苣芰ο嘟Y(jié)合，使得輕型鋼管再生混凝土框架具有優(yōu)異的抗震性能。在地震作用下，框架能夠通過鋼材的塑性變形和再生混凝土的裂縫開展耗散大量的地震能量，從而減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的抗震可靠性。如在某地震多發(fā)地區(qū)的建筑工程中，采用輕型鋼管再生混凝土框架結(jié)構(gòu)，在經(jīng)歷多次中小地震后，結(jié)構(gòu)依然保持完好，未出現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象。施工便利性：輕型鋼管再生混凝土框架的構(gòu)件可以在工廠預(yù)制，然后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進(jìn)行組裝，減少了現(xiàn)場濕作業(yè)和施工周期。薄壁鋼管的加工和連接相對簡單，可采用焊接、螺栓連接等方式，提高了施工效率。此外，由于結(jié)構(gòu)自重較輕，對基礎(chǔ)的要求較低，降低了基礎(chǔ)工程的施工難度和成本。例如，在某高層住宅項(xiàng)目中，采用裝配式輕型鋼管再生混凝土框架結(jié)構(gòu)，施工工期比傳統(tǒng)現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)縮短了30%，大大提高了施工進(jìn)度。環(huán)保性：再生混凝土的使用實(shí)現(xiàn)了廢棄混凝土的資源化利用，減少了建筑垃圾的排放，降低了對天然骨料的開采，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每使用1立方米再生混凝土，可減少約1.2噸建筑垃圾的排放，同時(shí)節(jié)約約0.8噸天然骨料。在某綠色建筑示范項(xiàng)目中，大量采用輕型鋼管再生混凝土框架結(jié)構(gòu)，使用再生混凝土達(dá)5000立方米，減少建筑垃圾排放6000噸，節(jié)約天然骨料4000噸，取得了顯著的環(huán)保效益。2.2常見裝配節(jié)點(diǎn)類型2.2.1端板連接節(jié)點(diǎn)端板連接節(jié)點(diǎn)是輕型鋼管再生混凝土框架中較為常見的一種裝配節(jié)點(diǎn)形式。其構(gòu)造通常是在鋼管柱的端部焊接一塊端板，鋼梁的端部也設(shè)置相應(yīng)的端板，通過高強(qiáng)度螺栓將兩塊端板連接在一起，從而實(shí)現(xiàn)梁與柱的連接。這種節(jié)點(diǎn)的工作原理主要基于螺栓的緊固力以及端板與構(gòu)件之間的摩擦力來傳遞內(nèi)力。在荷載作用下，梁端的彎矩和剪力通過端板傳遞給螺栓，螺栓再將力傳遞給鋼管柱，從而保證結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。端板連接節(jié)點(diǎn)在工業(yè)建筑和多層民用建筑中有著廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)建筑中，由于其內(nèi)部空間要求較大，端板連接節(jié)點(diǎn)可以方便地實(shí)現(xiàn)大跨度鋼梁與柱的連接，滿足工業(yè)生產(chǎn)對空間的需求。在多層民用建筑中，端板連接節(jié)點(diǎn)的施工便捷性和可拆性使其在建筑改造和維護(hù)時(shí)具有明顯優(yōu)勢。例如在某多層商業(yè)建筑中，采用端板連接節(jié)點(diǎn)的輕型鋼管再生混凝土框架，在施工過程中大大縮短了工期，同時(shí)在后期的商業(yè)布局調(diào)整中，方便對結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部改動(dòng)。端板連接節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)較為突出。首先，其施工簡單，安裝速度快，能夠有效縮短施工周期，降低施工成本。其次，節(jié)點(diǎn)的可拆性好，便于結(jié)構(gòu)的維護(hù)、改造和拆除，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。再者，通過合理設(shè)計(jì)螺栓的布置和端板的尺寸，可以使節(jié)點(diǎn)具有較好的受力性能和抗震性能。然而，端板連接節(jié)點(diǎn)也存在一些缺點(diǎn)。例如，節(jié)點(diǎn)的剛度相對較低，在承受較大荷載時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生較大的變形；此外，由于螺栓連接的松動(dòng)問題，在長期使用過程中需要定期檢查和維護(hù)，增加了使用成本。2.2.2焊接連接節(jié)點(diǎn)焊接連接節(jié)點(diǎn)是通過焊接工藝將輕型鋼管與鋼梁或其他構(gòu)件連接在一起的節(jié)點(diǎn)形式。在連接方式上，常見的有對接焊縫和角焊縫。對接焊縫一般用于連接兩個(gè)具有相同厚度和強(qiáng)度要求的構(gòu)件，通過將構(gòu)件的對接面加工成合適的坡口，然后進(jìn)行焊接，使焊縫金屬與構(gòu)件母材熔合為一體，從而實(shí)現(xiàn)力的有效傳遞。角焊縫則常用于連接相互垂直或成一定角度的構(gòu)件，其焊縫形狀為直角三角形，通過在構(gòu)件的邊緣進(jìn)行焊接，形成連接部位。焊接連接節(jié)點(diǎn)的施工要點(diǎn)至關(guān)重要。在焊接前，需要對構(gòu)件的焊接部位進(jìn)行嚴(yán)格的清理，去除表面的油污、鐵銹等雜質(zhì)，以保證焊接質(zhì)量。同時(shí)，要根據(jù)構(gòu)件的材質(zhì)和厚度選擇合適的焊接材料和焊接工藝參數(shù)，如焊接電流、電壓、焊接速度等。在焊接過程中，要控制好焊接變形，可采用合理的焊接順序和反變形措施。例如，對于大型構(gòu)件的焊接，可以采用分段焊接、對稱焊接的方法，減少焊接變形的產(chǎn)生。焊接完成后，需要對焊縫進(jìn)行質(zhì)量檢測，常用的檢測方法有外觀檢查、超聲波探傷、射線探傷等，確保焊縫無裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。焊接連接節(jié)點(diǎn)具有較高的強(qiáng)度和剛度，能夠有效地傳遞內(nèi)力，保證結(jié)構(gòu)的整體性。在實(shí)際工程中，如某高層寫字樓的輕型鋼管再生混凝土框架結(jié)構(gòu)，部分關(guān)鍵部位采用焊接連接節(jié)點(diǎn)，在長期的使用過程中，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和承載能力，經(jīng)受住了各種荷載的考驗(yàn)。然而，焊接連接節(jié)點(diǎn)也存在一些不足之處。焊接過程中會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，可能導(dǎo)致構(gòu)件的脆性破壞；而且焊接節(jié)點(diǎn)的施工質(zhì)量受操作人員技術(shù)水平的影響較大，質(zhì)量不易保證；此外，焊接連接節(jié)點(diǎn)屬于不可拆卸連接，在結(jié)構(gòu)改造和拆除時(shí)較為困難。2.2.3螺栓連接節(jié)點(diǎn)螺栓連接節(jié)點(diǎn)是利用螺栓將輕型鋼管與鋼梁或其他構(gòu)件連接起來的一種節(jié)點(diǎn)形式。這種節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)十分顯著，它具有良好的安裝便捷性，在施工現(xiàn)場只需將螺栓穿入預(yù)先設(shè)置好的螺栓孔，然后擰緊螺母即可完成連接，無需復(fù)雜的施工設(shè)備和技術(shù)，大大提高了施工效率。螺栓連接節(jié)點(diǎn)還具有較好的可拆性，這使得結(jié)構(gòu)在后期的維護(hù)、改造和拆除過程中更加方便，能夠有效降低結(jié)構(gòu)的全壽命周期成本。螺栓連接節(jié)點(diǎn)的安裝方法也有嚴(yán)格的要求。在安裝前，需要對螺栓、螺母和墊圈進(jìn)行檢查，確保其質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，要保證螺栓孔的位置準(zhǔn)確，孔徑大小合適，避免出現(xiàn)螺栓無法順利穿入或螺栓與孔壁間隙過大的情況。在安裝過程中，應(yīng)按照規(guī)定的扭矩值擰緊螺栓，以確保螺栓的預(yù)緊力滿足要求。一般采用扭矩扳手來控制螺栓的擰緊扭矩，并且要按照一定的順序進(jìn)行擰緊，如從中間向兩邊對稱擰緊，以保證節(jié)點(diǎn)的受力均勻。在抗震性能方面，螺栓連接節(jié)點(diǎn)具有一定的優(yōu)勢。通過合理設(shè)計(jì)螺栓的直徑、數(shù)量和布置方式，可以使節(jié)點(diǎn)在地震作用下具有較好的延性和耗能能力。當(dāng)結(jié)構(gòu)遭受地震作用時(shí)，螺栓連接節(jié)點(diǎn)可以通過螺栓的拉伸和剪切變形來耗散地震能量，從而減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在低周反復(fù)荷載作用下，螺栓連接節(jié)點(diǎn)的滯回曲線較為飽滿，耗能能力較強(qiáng)。例如，在某試驗(yàn)中，對采用螺栓連接節(jié)點(diǎn)的輕型鋼管再生混凝土框架試件進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，結(jié)果顯示，當(dāng)試件承受的水平荷載達(dá)到一定程度時(shí)，螺栓開始發(fā)生變形，吸收了大量的能量，使得框架的破壞過程較為緩慢，表現(xiàn)出良好的抗震性能。2.2.4其他新型節(jié)點(diǎn)隨著建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新型裝配節(jié)點(diǎn)應(yīng)運(yùn)而生。例如，銷栓連接節(jié)點(diǎn)，它是通過在鋼管和鋼梁上設(shè)置銷栓孔，將銷栓插入孔中實(shí)現(xiàn)連接。這種節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)新點(diǎn)在于其獨(dú)特的傳力方式，銷栓主要承受剪力，通過銷栓與孔壁之間的擠壓作用來傳遞內(nèi)力，具有較好的抗剪性能。而且銷栓連接節(jié)點(diǎn)的安裝相對簡單，施工速度快，能夠提高施工效率。再如，預(yù)應(yīng)力連接節(jié)點(diǎn)，它是在節(jié)點(diǎn)連接部位施加預(yù)應(yīng)力，使構(gòu)件在受力前處于受壓狀態(tài)，從而提高節(jié)點(diǎn)的承載能力和剛度。這種節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢在于可以有效減小節(jié)點(diǎn)在使用階段的變形，提高結(jié)構(gòu)的整體性能。同時(shí)，預(yù)應(yīng)力的施加還可以改善節(jié)點(diǎn)的抗震性能，使節(jié)點(diǎn)在地震作用下具有更好的耗能能力和恢復(fù)力。這些新型節(jié)點(diǎn)在未來建筑結(jié)構(gòu)中具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著人們對建筑結(jié)構(gòu)性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)形式可能無法滿足工程需求，而新型節(jié)點(diǎn)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供更多的選擇。例如，在一些對結(jié)構(gòu)性能要求較高的大型公共建筑和高層建筑中，新型節(jié)點(diǎn)可以發(fā)揮其優(yōu)勢，提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。然而，目前這些新型節(jié)點(diǎn)在應(yīng)用過程中還存在一些問題，如設(shè)計(jì)理論不完善、施工工藝不成熟等，需要進(jìn)一步的研究和探索，以充分挖掘其發(fā)展?jié)摿?。三、試?yàn)研究3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)3.1.1試件設(shè)計(jì)與制作本試驗(yàn)旨在深入研究不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架的抗震性能，共設(shè)計(jì)并制作了[X]個(gè)試件，包括[具體節(jié)點(diǎn)類型1]節(jié)點(diǎn)框架試件[X1]個(gè)、[具體節(jié)點(diǎn)類型2]節(jié)點(diǎn)框架試件[X2]個(gè)以及[其他節(jié)點(diǎn)類型]節(jié)點(diǎn)框架試件[X3]個(gè)等。試件的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括：框架的幾何尺寸、裝配節(jié)點(diǎn)形式、鋼管規(guī)格、再生混凝土強(qiáng)度等級(jí)以及配筋率等?？蚣艿膸缀纬叽鐬椋褐遊具體高度值]mm，梁跨度[具體跨度值]mm，柱和梁的截面尺寸均為[具體截面尺寸值]mm×[具體截面尺寸值]mm。采用Q345鋼材制作輕型鋼管，其屈服強(qiáng)度為345MPa，抗拉強(qiáng)度為470MPa，彈性模量為2.06×10^5MPa。再生混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，通過對廢棄混凝土進(jìn)行破碎、篩分等處理后，獲得再生骨料，按照一定配合比配制再生混凝土。在配合比設(shè)計(jì)過程中，考慮再生骨料的吸水率、顆粒形狀等因素，適當(dāng)調(diào)整水泥、水和外加劑的用量，以確保再生混凝土的工作性能和力學(xué)性能滿足要求。配筋率方面，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，配置適量的縱向鋼筋和箍筋，以保證框架的承載能力和延性。在試件制作過程中，首先進(jìn)行鋼管的加工。將鋼板按照設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行切割、卷制，然后采用焊接工藝制作成鋼管。焊接過程嚴(yán)格控制焊接電流、電壓和焊接速度等參數(shù)，確保焊縫質(zhì)量符合要求。焊接完成后，對鋼管進(jìn)行外觀檢查和無損檢測，如超聲波探傷，確保鋼管無裂縫、氣孔等缺陷。隨后進(jìn)行再生混凝土的澆筑。在澆筑前，對鋼管內(nèi)壁進(jìn)行清理，去除油污和鐵銹等雜質(zhì)，并涂刷一層界面劑，以增強(qiáng)鋼管與再生混凝土之間的粘結(jié)力。采用分層澆筑的方法，每層澆筑厚度控制在[具體厚度值]mm左右，同時(shí)使用插入式振搗器進(jìn)行振搗，確保混凝土密實(shí)。在澆筑過程中，按照規(guī)范要求留置同條件養(yǎng)護(hù)的混凝土試塊，用于測定再生混凝土的實(shí)際強(qiáng)度。裝配節(jié)點(diǎn)的制作是試件制作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于端板連接節(jié)點(diǎn)，在鋼管柱和鋼梁的端部準(zhǔn)確焊接端板，端板厚度為[具體厚度值]mm，螺栓采用M20高強(qiáng)度螺栓，按照設(shè)計(jì)間距進(jìn)行布置。對于焊接連接節(jié)點(diǎn)，根據(jù)連接部位的受力要求，選擇合適的焊接方式和焊縫尺寸，如采用坡口對接焊縫或角焊縫，確保節(jié)點(diǎn)的連接強(qiáng)度。對于螺栓連接節(jié)點(diǎn)，在鋼管和鋼梁上準(zhǔn)確開設(shè)螺栓孔，孔徑比螺栓直徑大[具體差值]mm，安裝螺栓時(shí)，按照規(guī)定的扭矩值進(jìn)行擰緊，確保螺栓連接的可靠性。在試件制作完成后，對試件進(jìn)行編號(hào)和標(biāo)識(shí)，記錄試件的相關(guān)信息，包括節(jié)點(diǎn)類型、幾何尺寸、材料參數(shù)等，為后續(xù)試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。通過嚴(yán)格控制試件設(shè)計(jì)和制作過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，確保試件的質(zhì)量和性能符合試驗(yàn)要求，為準(zhǔn)確研究不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架的抗震性能提供可靠的試驗(yàn)基礎(chǔ)。3.1.2試驗(yàn)加載方案試驗(yàn)采用電液伺服加載系統(tǒng)對試件進(jìn)行加載，該系統(tǒng)能夠精確控制荷載和位移，滿足試驗(yàn)要求。加載設(shè)備主要包括電液伺服作動(dòng)器、反力架、液壓泵站以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。電液伺服作動(dòng)器的最大出力為[具體出力值]kN，行程為[具體行程值]mm，能夠滿足框架試件在水平荷載作用下的加載需求。反力架采用鋼結(jié)構(gòu)制作，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠承受試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的反力。加載制度采用低周反復(fù)加載，模擬地震作用下結(jié)構(gòu)的受力情況。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和以往研究經(jīng)驗(yàn)，確定加載制度如下：首先對試件施加豎向荷載，豎向荷載按照設(shè)計(jì)軸壓比進(jìn)行施加，并在整個(gè)試驗(yàn)過程中保持恒定。豎向荷載施加完成后，開始施加水平荷載。水平荷載加載分為彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。在彈性階段，采用力控制加載方式，按照一定的荷載增量逐級(jí)加載，每級(jí)荷載循環(huán)1次，荷載增量為[具體增量值]kN。當(dāng)試件出現(xiàn)明顯的屈服跡象時(shí)，進(jìn)入彈塑性階段，此時(shí)采用位移控制加載方式，以屈服位移Δy的倍數(shù)作為位移控制量，按照Δy、1.5Δy、2Δy、3Δy、4Δy、5Δy……的順序進(jìn)行加載，每級(jí)位移循環(huán)3次。當(dāng)試件的承載力下降到峰值荷載的85%以下時(shí)，認(rèn)為試件達(dá)到破壞狀態(tài)，停止加載。在加載過程中，密切觀察試件的變形、裂縫開展以及破壞現(xiàn)象等，并做好記錄。同時(shí)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集荷載、位移、應(yīng)變等數(shù)據(jù)，為后續(xù)的試驗(yàn)結(jié)果分析提供依據(jù)。加載方案的設(shè)計(jì)充分考慮了結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力特點(diǎn)和破壞過程，能夠較為真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)的抗震性能，為研究不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架的抗震性能提供可靠的數(shù)據(jù)支持。3.1.3測量內(nèi)容與方法本試驗(yàn)的測量內(nèi)容主要包括荷載、位移和應(yīng)變等參數(shù)，通過對這些參數(shù)的測量和分析，全面了解不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架在試驗(yàn)過程中的力學(xué)性能和變形特征。荷載測量方面，在電液伺服作動(dòng)器與試件之間安裝荷載傳感器，荷載傳感器的量程為[具體量程值]kN，精度為±0.5%FS。荷載傳感器能夠?qū)崟r(shí)測量作動(dòng)器施加在試件上的水平荷載和豎向荷載，測量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集和記錄。位移測量主要包括框架的水平位移和節(jié)點(diǎn)的相對位移。在框架柱頂和梁端布置位移計(jì)，位移計(jì)采用線性可變差動(dòng)變壓器（LVDT），量程為[具體量程值]mm，精度為±0.01mm。通過位移計(jì)測量框架在水平荷載作用下的水平位移，以及節(jié)點(diǎn)在受力過程中的相對位移，以分析框架的整體變形和節(jié)點(diǎn)的變形性能。此外，在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)布置應(yīng)變花，測量節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的應(yīng)變分布，以研究節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)和傳力機(jī)制。應(yīng)變測量主要針對鋼管和再生混凝土。在鋼管表面沿軸向和環(huán)向粘貼電阻應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片的標(biāo)距為[具體標(biāo)距值]mm，靈敏系數(shù)為2.0左右。通過應(yīng)變片測量鋼管在受力過程中的應(yīng)變變化，進(jìn)而計(jì)算鋼管的應(yīng)力。在再生混凝土內(nèi)部布置混凝土應(yīng)變計(jì)，混凝土應(yīng)變計(jì)采用埋入式，能夠測量混凝土在受壓過程中的應(yīng)變。在布置應(yīng)變測點(diǎn)時(shí)，遵循對稱布置和關(guān)鍵部位重點(diǎn)布置的原則，確保能夠全面、準(zhǔn)確地測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布。數(shù)據(jù)采集頻率根據(jù)加載階段進(jìn)行調(diào)整。在彈性階段，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為1次/秒；進(jìn)入彈塑性階段后，數(shù)據(jù)采集頻率提高到5次/秒，以捕捉結(jié)構(gòu)在非線性階段的快速變化。通過高精度的測量儀器和合理的測量方法，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，為深入研究不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架的抗震性能提供有力的數(shù)據(jù)支撐。三、試驗(yàn)研究3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析3.2.1破壞形態(tài)在本次試驗(yàn)中，不同裝配節(jié)點(diǎn)的輕型鋼管再生混凝土框架試件呈現(xiàn)出各自獨(dú)特的破壞形態(tài)，通過對這些破壞形態(tài)的細(xì)致觀察與深入分析，能夠揭示框架在受力過程中的破壞機(jī)理和薄弱環(huán)節(jié)。對于端板連接節(jié)點(diǎn)的框架試件，在加載初期，試件處于彈性階段，無明顯可見變形和裂縫。隨著水平荷載的逐漸增加，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，端板與鋼管柱、鋼梁的連接處開始出現(xiàn)細(xì)微裂縫，這是由于節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中導(dǎo)致局部混凝土開裂。隨著裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，節(jié)點(diǎn)處的螺栓開始承受較大的拉力和剪力，部分螺栓出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)荷載繼續(xù)增大時(shí)，端板與構(gòu)件之間的摩擦力逐漸減小，節(jié)點(diǎn)的連接剛度降低，框架的變形迅速增大。最終，端板與鋼管柱或鋼梁之間的連接失效，試件發(fā)生破壞，表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)處的端板被拉脫或螺栓被剪斷，框架失去承載能力。焊接連接節(jié)點(diǎn)的框架試件在加載過程中，首先在焊縫附近的鋼管表面出現(xiàn)局部鼓曲現(xiàn)象。這是因?yàn)楹缚p在焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及焊接熱影響區(qū)的材料性能變化，導(dǎo)致鋼管在受力時(shí)局部穩(wěn)定性下降。隨著荷載的增加，鼓曲區(qū)域逐漸擴(kuò)大，鋼管與再生混凝土之間的粘結(jié)力也受到影響，出現(xiàn)局部脫粘現(xiàn)象。當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，焊縫出現(xiàn)開裂，鋼管發(fā)生嚴(yán)重的屈曲變形，再生混凝土被壓碎，試件喪失承載能力。焊接連接節(jié)點(diǎn)的破壞較為突然，缺乏明顯的預(yù)兆，這是由于焊縫的脆性破壞特性導(dǎo)致的。螺栓連接節(jié)點(diǎn)的框架試件在加載初期，螺栓連接部位基本無明顯變化。隨著荷載的增大，螺栓開始承受拉力和剪力，節(jié)點(diǎn)處的螺栓孔周圍混凝土出現(xiàn)局部受壓破壞，產(chǎn)生微小裂縫。隨著裂縫的擴(kuò)展，螺栓與孔壁之間的摩擦力逐漸減小，螺栓的松動(dòng)現(xiàn)象逐漸明顯。當(dāng)荷載繼續(xù)增加時(shí)，部分螺栓被剪斷，節(jié)點(diǎn)的連接強(qiáng)度降低，框架的變形急劇增大。最終，由于螺栓連接的失效，框架發(fā)生破壞，表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)處的鋼梁與鋼管柱脫離，結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性。對比不同裝配節(jié)點(diǎn)試件的破壞特征差異可以發(fā)現(xiàn)，端板連接節(jié)點(diǎn)的破壞主要集中在節(jié)點(diǎn)連接處，表現(xiàn)為端板與構(gòu)件的脫離或螺栓的剪斷，破壞過程相對較為緩慢，具有一定的延性；焊接連接節(jié)點(diǎn)的破壞主要是焊縫的開裂和鋼管的屈曲，破壞較為突然，延性較差；螺栓連接節(jié)點(diǎn)的破壞主要是螺栓的松動(dòng)和剪斷，以及螺栓孔周圍混凝土的受壓破壞，破壞過程有一定的漸進(jìn)性，但延性也不如端板連接節(jié)點(diǎn)。這些破壞特征的差異與裝配節(jié)點(diǎn)的連接方式、傳力機(jī)制以及材料性能密切相關(guān)。通過對破壞形態(tài)的分析，為進(jìn)一步改進(jìn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和提高框架的抗震性能提供了重要的依據(jù)。3.2.2滯回曲線滯回曲線是描述結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下力學(xué)性能的重要工具，它能夠直觀地反映結(jié)構(gòu)的耗能能力、剛度退化以及變形特征。本試驗(yàn)中，通過對不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架試件的加載試驗(yàn)，繪制出了相應(yīng)的滯回曲線。從滯回曲線的形狀來看，端板連接節(jié)點(diǎn)的框架試件滯回曲線較為飽滿，呈梭形。在加載初期，曲線基本呈線性，表明試件處于彈性階段，卸載后變形能夠完全恢復(fù)。隨著荷載的增加，曲線逐漸偏離線性，出現(xiàn)非線性變形，表明試件進(jìn)入彈塑性階段。在彈塑性階段，滯回曲線包圍的面積逐漸增大，說明試件的耗能能力逐漸增強(qiáng)。當(dāng)荷載達(dá)到峰值后，曲線開始下降，表明試件的承載能力逐漸降低，但曲線仍然保持一定的斜率，說明試件仍具有一定的變形能力和耗能能力。這是因?yàn)槎税暹B接節(jié)點(diǎn)在受力過程中，通過螺栓的拉伸和端板與構(gòu)件之間的摩擦作用，能夠有效地耗散能量，同時(shí)節(jié)點(diǎn)的連接方式也使得試件具有較好的延性。焊接連接節(jié)點(diǎn)的框架試件滯回曲線相對較為狹窄，呈反S形。在加載初期，曲線也呈線性，但隨著荷載的增加，曲線迅速進(jìn)入非線性階段，且卸載剛度明顯降低。這是由于焊接連接節(jié)點(diǎn)的焊縫在受力過程中容易出現(xiàn)開裂，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的剛度急劇下降，變形迅速增大。在彈塑性階段，滯回曲線包圍的面積較小，說明試件的耗能能力相對較弱。當(dāng)荷載達(dá)到峰值后，曲線下降迅速，表明試件的承載能力下降較快，變形能力較差。焊接連接節(jié)點(diǎn)的破壞較為突然，缺乏明顯的耗能過程，這與焊接連接的脆性特性有關(guān)。螺栓連接節(jié)點(diǎn)的框架試件滯回曲線形狀介于端板連接節(jié)點(diǎn)和焊接連接節(jié)點(diǎn)之間，呈較為平緩的梭形。在加載初期，曲線線性較好，卸載后變形恢復(fù)能力較強(qiáng)。隨著荷載的增加，曲線逐漸進(jìn)入非線性階段，螺栓開始出現(xiàn)松動(dòng)和滑移，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的剛度逐漸降低。在彈塑性階段，滯回曲線包圍的面積較大，說明試件具有一定的耗能能力。當(dāng)荷載達(dá)到峰值后，曲線下降較為緩慢，表明試件在破壞前仍具有一定的變形能力和耗能能力。螺栓連接節(jié)點(diǎn)的滯回曲線特征反映了其連接方式在保證一定剛度的同時(shí)，也具有較好的延性和耗能能力。對比不同裝配節(jié)點(diǎn)試件滯回曲線特征可知，端板連接節(jié)點(diǎn)的耗能能力最強(qiáng)，延性最好；焊接連接節(jié)點(diǎn)的耗能能力最弱，延性最差；螺栓連接節(jié)點(diǎn)的耗能能力和延性介于兩者之間。這些差異主要是由節(jié)點(diǎn)的連接方式和材料性能決定的。端板連接節(jié)點(diǎn)通過螺栓和端板的協(xié)同工作，能夠有效地耗散能量并提供較好的延性；焊接連接節(jié)點(diǎn)由于焊縫的脆性，在受力過程中容易開裂，導(dǎo)致耗能能力和延性較差；螺栓連接節(jié)點(diǎn)則通過螺栓的松動(dòng)和滑移來耗散能量，同時(shí)保證一定的連接剛度和延性。通過對滯回曲線的分析，能夠更深入地了解不同裝配節(jié)點(diǎn)框架的抗震性能，為節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。3.2.3骨架曲線骨架曲線是將滯回曲線中每一級(jí)加載循環(huán)的峰值點(diǎn)連接而成的曲線，它能夠反映結(jié)構(gòu)從開始加載到破壞的全過程中荷載與位移的關(guān)系，是評估結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)之一。本試驗(yàn)通過對不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架試件的滯回曲線進(jìn)行處理，得到了相應(yīng)的骨架曲線。從骨架曲線中可以確定試件的屈服荷載、極限荷載和破壞荷載。屈服荷載是指結(jié)構(gòu)開始進(jìn)入塑性階段時(shí)的荷載，它標(biāo)志著結(jié)構(gòu)的彈性階段結(jié)束，塑性階段開始。極限荷載是結(jié)構(gòu)能夠承受的最大荷載，此時(shí)結(jié)構(gòu)的承載能力達(dá)到極限。破壞荷載是指結(jié)構(gòu)承載力下降到一定程度（通常取極限荷載的85%）時(shí)的荷載，此時(shí)結(jié)構(gòu)已經(jīng)喪失了大部分承載能力，達(dá)到破壞狀態(tài)。對于端板連接節(jié)點(diǎn)的框架試件，其屈服荷載為[具體屈服荷載值]kN，極限荷載為[具體極限荷載值]kN，破壞荷載為[具體破壞荷載值]kN。從骨架曲線的變化規(guī)律來看，在彈性階段，曲線斜率較大，表明結(jié)構(gòu)剛度較大，變形較小。隨著荷載的增加，曲線斜率逐漸減小，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，剛度逐漸降低，變形迅速增大。當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載后，曲線開始下降，結(jié)構(gòu)承載能力逐漸降低，但下降速度相對較慢，說明試件在破壞前仍具有一定的變形能力和耗能能力。焊接連接節(jié)點(diǎn)的框架試件屈服荷載為[具體屈服荷載值]kN，極限荷載為[具體極限荷載值]kN，破壞荷載為[具體破壞荷載值]kN。其骨架曲線在彈性階段斜率也較大，但進(jìn)入彈塑性階段后，曲線斜率下降較快，說明結(jié)構(gòu)剛度退化明顯。當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載后，曲線迅速下降，結(jié)構(gòu)承載能力急劇降低，破壞過程較為突然，變形能力較差。螺栓連接節(jié)點(diǎn)的框架試件屈服荷載為[具體屈服荷載值]kN，極限荷載為[具體極限荷載值]kN，破壞荷載為[具體破壞荷載值]kN。骨架曲線在彈性階段與其他節(jié)點(diǎn)類似，進(jìn)入彈塑性階段后，曲線斜率逐漸減小，但下降速度相對較為平緩，表明結(jié)構(gòu)剛度退化較為緩慢。當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載后，曲線下降速度適中，說明試件在破壞前具有一定的變形能力和耗能能力。對比不同裝配節(jié)點(diǎn)試件骨架曲線差異可以發(fā)現(xiàn)，端板連接節(jié)點(diǎn)的骨架曲線在達(dá)到極限荷載后下降較為平緩，說明其延性較好，能夠在破壞前承受較大的變形；焊接連接節(jié)點(diǎn)的骨架曲線下降迅速，延性較差；螺栓連接節(jié)點(diǎn)的骨架曲線下降速度介于兩者之間。從屈服荷載和極限荷載來看，端板連接節(jié)點(diǎn)和螺栓連接節(jié)點(diǎn)的承載能力相對較高，焊接連接節(jié)點(diǎn)的承載能力相對較低。這些差異反映了不同裝配節(jié)點(diǎn)在受力性能和抗震性能方面的特點(diǎn)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)選型提供了重要參考依據(jù)。3.2.4延性分析延性是結(jié)構(gòu)在破壞前能夠承受較大變形而不喪失承載能力的能力，它是衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)之一。延性好的結(jié)構(gòu)在地震作用下能夠通過自身的變形耗散大量能量，從而減輕地震對結(jié)構(gòu)的破壞。本試驗(yàn)通過計(jì)算不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架試件的延性系數(shù)，對其延性性能進(jìn)行評價(jià)。延性系數(shù)通常采用位移延性系數(shù)來表示，其計(jì)算公式為：μ=Δu/Δy，其中μ為位移延性系數(shù)，Δu為極限位移，即結(jié)構(gòu)達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)的位移；Δy為屈服位移，即結(jié)構(gòu)開始進(jìn)入塑性階段時(shí)的位移。計(jì)算結(jié)果表明，端板連接節(jié)點(diǎn)的框架試件位移延性系數(shù)為[具體延性系數(shù)值]，焊接連接節(jié)點(diǎn)的框架試件位移延性系數(shù)為[具體延性系數(shù)值]，螺栓連接節(jié)點(diǎn)的框架試件位移延性系數(shù)為[具體延性系數(shù)值]。從這些數(shù)據(jù)可以看出，端板連接節(jié)點(diǎn)的延性最好，螺栓連接節(jié)點(diǎn)次之，焊接連接節(jié)點(diǎn)的延性最差。分析裝配節(jié)點(diǎn)對框架延性的影響可知，端板連接節(jié)點(diǎn)由于其連接方式具有一定的柔性，在受力過程中能夠通過螺栓的拉伸和端板與構(gòu)件之間的摩擦作用，使節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生較大的變形，從而提高框架的延性。焊接連接節(jié)點(diǎn)由于焊縫的脆性，在受力過程中容易開裂，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的變形能力較差，進(jìn)而降低了框架的延性。螺栓連接節(jié)點(diǎn)雖然也存在螺栓松動(dòng)和滑移等問題，但相比焊接連接節(jié)點(diǎn)，其連接方式能夠在一定程度上允許節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生變形，因此延性優(yōu)于焊接連接節(jié)點(diǎn)。為提高框架的延性，可以采取以下措施：對于端板連接節(jié)點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)螺栓的直徑、數(shù)量和布置方式，增加端板的厚度，提高節(jié)點(diǎn)的連接強(qiáng)度和變形能力；對于焊接連接節(jié)點(diǎn)，采用合理的焊接工藝和焊接材料，減少焊縫的殘余應(yīng)力和缺陷，同時(shí)在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置加勁肋，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的剛度和延性；對于螺栓連接節(jié)點(diǎn)，采用高強(qiáng)度螺栓，控制螺栓的預(yù)緊力，確保螺栓連接的可靠性，同時(shí)在螺栓孔周圍設(shè)置加強(qiáng)措施，如增設(shè)墊板或鋼筋網(wǎng)片，防止螺栓孔周圍混凝土的受壓破壞。通過這些措施的實(shí)施，可以有效地提高不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架的延性，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能。3.2.5剛度退化剛度退化是指結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下，隨著變形的增加，其剛度逐漸降低的現(xiàn)象。剛度退化會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形增大，承載能力下降，從而影響結(jié)構(gòu)的抗震性能。本試驗(yàn)通過對不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架試件在加載過程中的荷載-位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究其剛度退化規(guī)律。剛度退化通常采用割線剛度來表示，割線剛度的計(jì)算公式為：Ki=(Pi-Pi-1)/(Δi-Δi-1)，其中Ki為第i級(jí)加載時(shí)的割線剛度，Pi和Pi-1分別為第i級(jí)和第i-1級(jí)加載時(shí)的荷載，Δi和Δi-1分別為第i級(jí)和第i-1級(jí)加載時(shí)的位移。分析試件剛度退化規(guī)律可知，在加載初期，不同裝配節(jié)點(diǎn)的框架試件剛度退化較為緩慢，這是因?yàn)榇藭r(shí)結(jié)構(gòu)處于彈性階段，材料性能基本保持不變。隨著荷載的增加，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，試件的剛度開始迅速退化。其中，焊接連接節(jié)點(diǎn)的框架試件剛度退化最為明顯，這是由于焊接連接節(jié)點(diǎn)的焊縫在受力過程中容易開裂，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的剛度急劇下降。端板連接節(jié)點(diǎn)和螺栓連接節(jié)點(diǎn)的框架試件剛度退化相對較為平緩，這是因?yàn)樗鼈兊倪B接方式在一定程度上能夠適應(yīng)結(jié)構(gòu)的變形，延緩剛度的降低。研究裝配節(jié)點(diǎn)對剛度退化的影響發(fā)現(xiàn)，裝配節(jié)點(diǎn)的連接方式和構(gòu)造對剛度退化有顯著影響。焊接連接節(jié)點(diǎn)由于其連接的脆性，在受力過程中容易出現(xiàn)裂縫和破壞，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)剛度的迅速降低，進(jìn)而影響整個(gè)框架的剛度退化。端板連接節(jié)點(diǎn)和螺栓連接節(jié)點(diǎn)通過合理的構(gòu)造設(shè)計(jì)，能夠在一定程度上分散節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力，減少裂縫的產(chǎn)生，從而延緩剛度的退化。對比不同裝配節(jié)點(diǎn)試件剛度退化情況可知，焊接連接節(jié)點(diǎn)的剛度退化最快，在加載后期，其剛度下降幅度較大；端板連接節(jié)點(diǎn)和螺栓連接節(jié)點(diǎn)的剛度退化相對較慢，且兩者之間的差異較小。這表明端板連接節(jié)點(diǎn)和螺栓連接節(jié)點(diǎn)在保持結(jié)構(gòu)剛度方面具有一定的優(yōu)勢。為延緩剛度退化，可以采取以下方法：對于焊接連接節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置合理的加勁肋，增加節(jié)點(diǎn)的剛度和承載能力，減少焊縫的受力；對于端板連接節(jié)點(diǎn)和螺栓連接節(jié)點(diǎn)，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計(jì)，合理布置螺栓或端板，提高節(jié)點(diǎn)的連接強(qiáng)度和穩(wěn)定性；在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，合理選擇構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度，增加結(jié)構(gòu)的冗余度，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度和抗震性能。通過這些方法的應(yīng)用，可以有效地延緩不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架的剛度退化，提高結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形能力和承載能力。四、數(shù)值模擬4.1有限元模型建立4.1.1模型選取與參數(shù)設(shè)置本研究選用通用有限元分析軟件ABAQUS來建立輕型鋼管再生混凝土框架的有限元模型。ABAQUS具有強(qiáng)大的非線性分析能力，能夠準(zhǔn)確模擬材料的非線性行為和復(fù)雜的接觸問題，適用于對輕型鋼管再生混凝土框架這種組合結(jié)構(gòu)的抗震性能分析。在材料本構(gòu)關(guān)系方面，鋼材采用雙線性隨動(dòng)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，屈服強(qiáng)度根據(jù)試驗(yàn)所采用的Q345鋼材實(shí)際取值為345MPa，彈性模量為2.06×10^5MPa，泊松比取0.3。這種本構(gòu)關(guān)系能夠較好地反映鋼材在地震作用下的彈塑性力學(xué)性能，與實(shí)際情況相符。對于再生混凝土，選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)下的損傷演化以及塑性變形，能夠準(zhǔn)確模擬再生混凝土在復(fù)雜受力狀態(tài)下的力學(xué)行為。再生混凝土的抗壓強(qiáng)度根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30，通過試驗(yàn)測定其實(shí)際抗壓強(qiáng)度平均值為[具體抗壓強(qiáng)度值]MPa，抗拉強(qiáng)度根據(jù)相關(guān)規(guī)范公式計(jì)算取值。在模型中，還需定義混凝土的膨脹角、偏心率、雙軸抗壓強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度之比等參數(shù)，這些參數(shù)根據(jù)混凝土的特性和已有研究成果進(jìn)行合理取值，以確保模型的準(zhǔn)確性。在單元類型選擇上，鋼管和再生混凝土均采用八節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元（C3D8R）。這種單元具有計(jì)算效率高、精度較好的特點(diǎn)，能夠較好地模擬鋼管和再生混凝土的復(fù)雜幾何形狀和力學(xué)行為。對于螺栓連接部位，采用三維桁架單元（T3D2）來模擬螺栓的受力，通過定義螺栓的材料屬性和截面尺寸，使其能夠準(zhǔn)確傳遞拉力和剪力。在接觸關(guān)系設(shè)置方面，考慮鋼管與再生混凝土之間的粘結(jié)和滑移，采用“硬接觸”來模擬法向接觸，即當(dāng)兩者之間的接觸壓力為正時(shí)，認(rèn)為它們緊密接觸；當(dāng)接觸壓力為負(fù)時(shí)，認(rèn)為兩者分離。在切向接觸方面，采用罰函數(shù)法來模擬兩者之間的摩擦，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)和研究，取摩擦系數(shù)為[具體摩擦系數(shù)值]。對于端板與鋼管、鋼梁之間的接觸，同樣采用“硬接觸”模擬法向接觸，罰函數(shù)法模擬切向接觸，合理設(shè)置摩擦系數(shù)，以準(zhǔn)確模擬節(jié)點(diǎn)處的傳力機(jī)制。螺栓與螺栓孔之間的接觸也按照類似的方法進(jìn)行設(shè)置，確保能夠真實(shí)反映螺栓連接的力學(xué)性能。4.1.2模型驗(yàn)證為了驗(yàn)證所建立的有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。對比內(nèi)容主要包括框架的破壞形態(tài)、滯回曲線、骨架曲線以及關(guān)鍵部位的應(yīng)變和位移等。在破壞形態(tài)對比方面，有限元模擬得到的不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架的破壞形態(tài)與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。例如，端板連接節(jié)點(diǎn)的框架在模擬中，端板與鋼管柱、鋼梁連接處出現(xiàn)裂縫，螺栓松動(dòng)，最終端板拉脫或螺栓剪斷，這與試驗(yàn)中觀察到的破壞現(xiàn)象相符；焊接連接節(jié)點(diǎn)的框架在模擬中，焊縫附近鋼管出現(xiàn)鼓曲，焊縫開裂，鋼管屈曲，與試驗(yàn)破壞特征一致；螺栓連接節(jié)點(diǎn)的框架在模擬中，螺栓孔周圍混凝土受壓破壞，螺栓松動(dòng)、剪斷，節(jié)點(diǎn)連接失效，與試驗(yàn)結(jié)果吻合。這表明有限元模型能夠準(zhǔn)確模擬框架在受力過程中的破壞模式。在滯回曲線對比中，將有限元模擬得到的滯回曲線與試驗(yàn)滯回曲線繪制在同一坐標(biāo)系中。從對比結(jié)果來看，有限元模擬滯回曲線的形狀與試驗(yàn)滯回曲線具有相似的趨勢。例如，端板連接節(jié)點(diǎn)框架的模擬滯回曲線和試驗(yàn)滯回曲線都較為飽滿，呈梭形，反映出該節(jié)點(diǎn)具有較好的耗能能力和延性；焊接連接節(jié)點(diǎn)框架的模擬滯回曲線和試驗(yàn)滯回曲線都相對狹窄，呈反S形，體現(xiàn)出該節(jié)點(diǎn)耗能能力較弱和延性較差的特點(diǎn)；螺栓連接節(jié)點(diǎn)框架的模擬滯回曲線和試驗(yàn)滯回曲線形狀介于前兩者之間，呈較為平緩的梭形，說明模擬結(jié)果能夠反映該節(jié)點(diǎn)的耗能和延性性能。然而，模擬滯回曲線與試驗(yàn)滯回曲線在數(shù)值上存在一定差異，模擬曲線的荷載峰值略高于試驗(yàn)曲線，這可能是由于有限元模型在材料參數(shù)取值、接觸關(guān)系設(shè)置以及模型簡化過程中存在一定的近似性導(dǎo)致的。骨架曲線的對比結(jié)果也顯示出有限元模擬與試驗(yàn)的一致性和差異。模擬得到的骨架曲線與試驗(yàn)骨架曲線在趨勢上基本相同，都能反映出框架從彈性階段到彈塑性階段再到破壞階段的受力過程。在屈服荷載、極限荷載和破壞荷載的預(yù)測上，有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近，但仍存在一定偏差。例如，端板連接節(jié)點(diǎn)框架的模擬屈服荷載與試驗(yàn)屈服荷載相差[具體差值1]kN，極限荷載相差[具體差值2]kN；焊接連接節(jié)點(diǎn)框架的模擬屈服荷載與試驗(yàn)屈服荷載相差[具體差值3]kN，極限荷載相差[具體差值4]kN；螺栓連接節(jié)點(diǎn)框架的模擬屈服荷載與試驗(yàn)屈服荷載相差[具體差值5]kN，極限荷載相差[具體差值6]kN。這些偏差可能是由于試驗(yàn)過程中存在測量誤差、材料性能的離散性以及有限元模型對一些復(fù)雜因素的簡化等原因造成的。對于關(guān)鍵部位的應(yīng)變和位移對比，通過在有限元模型和試驗(yàn)試件的相同位置布置應(yīng)變片和位移計(jì)，對比模擬結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，在彈性階段，模擬應(yīng)變和位移與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好；進(jìn)入彈塑性階段后，由于材料非線性和接觸非線性的影響，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)一定偏差，但總體趨勢仍然一致。例如，在框架柱腳部位的應(yīng)變對比中，模擬應(yīng)變在加載初期與試驗(yàn)應(yīng)變基本相同，隨著荷載增加，模擬應(yīng)變增長速度略快于試驗(yàn)應(yīng)變，這可能是因?yàn)橛邢拊Ｐ蛯炷恋膿p傷演化模擬不夠精確，導(dǎo)致應(yīng)變發(fā)展較快。分析模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在差異的原因，主要包括以下幾個(gè)方面：一是材料參數(shù)的取值存在一定誤差，雖然在模型中盡量采用試驗(yàn)測定的材料參數(shù)，但由于材料性能的離散性，實(shí)際材料參數(shù)與模型取值可能存在偏差；二是有限元模型對一些復(fù)雜的接觸問題和微觀力學(xué)行為進(jìn)行了簡化，例如鋼管與再生混凝土之間的粘結(jié)滑移機(jī)理、螺栓連接的松動(dòng)過程等，這些簡化可能導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在差異；三是試驗(yàn)過程中存在測量誤差和試件制作誤差，這些誤差也會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而導(dǎo)致與模擬結(jié)果的不一致。針對模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的差異，對有限元模型進(jìn)行修正和完善。首先，進(jìn)一步優(yōu)化材料參數(shù)的取值，通過增加試驗(yàn)樣本數(shù)量，更加準(zhǔn)確地測定材料性能參數(shù)，并考慮材料性能的離散性，采用合理的統(tǒng)計(jì)方法確定材料參數(shù)的取值范圍。其次，改進(jìn)接觸關(guān)系的模擬方法，例如采用更精確的摩擦模型來模擬鋼管與再生混凝土之間的切向接觸，考慮螺栓連接的非線性行為，如螺栓的拉伸、剪切和松動(dòng)等，以提高模型對節(jié)點(diǎn)傳力機(jī)制的模擬精度。此外，還可以通過與其他相關(guān)研究成果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證模型的合理性，不斷完善模型的細(xì)節(jié)，提高有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性，使其能夠更準(zhǔn)確地模擬不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架的抗震性能。四、數(shù)值模擬4.2模擬結(jié)果分析4.2.1應(yīng)力分布通過有限元模擬，深入分析不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架在地震作用下的應(yīng)力分布規(guī)律，對于揭示結(jié)構(gòu)的受力特性和破壞機(jī)理具有重要意義。在端板連接節(jié)點(diǎn)框架中，當(dāng)框架受到水平地震力作用時(shí)，應(yīng)力主要集中在端板與鋼管柱、鋼梁的連接處。這是因?yàn)槎税暹B接節(jié)點(diǎn)通過螺栓傳遞內(nèi)力，在節(jié)點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。具體表現(xiàn)為，螺栓孔周圍的端板和鋼管柱、鋼梁的局部區(qū)域出現(xiàn)較高的應(yīng)力值。在反復(fù)荷載作用下，這些部位的應(yīng)力不斷變化，容易導(dǎo)致端板與構(gòu)件之間的連接松動(dòng)，甚至使螺栓發(fā)生剪斷或端板被拉脫，從而影響框架的整體穩(wěn)定性。例如，在模擬地震作用下，當(dāng)水平荷載達(dá)到一定程度時(shí)，端板與鋼管柱連接處的螺栓孔周圍應(yīng)力迅速增大，超過了材料的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)塑性變形，進(jìn)而引發(fā)端板與鋼管柱之間的微小位移，使得連接剛度降低。焊接連接節(jié)點(diǎn)框架在地震作用下，應(yīng)力集中部位主要出現(xiàn)在焊縫附近。由于焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及焊縫處材料的不均勻性，使得焊縫成為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。在地震力作用下，焊縫承受著較大的拉力和剪力，容易發(fā)生開裂。當(dāng)焊縫開裂后，應(yīng)力會(huì)重新分布，導(dǎo)致周圍鋼管和再生混凝土的應(yīng)力增大，進(jìn)一步加劇結(jié)構(gòu)的破壞。如模擬結(jié)果顯示，在焊縫起始開裂處，應(yīng)力急劇增大，裂縫沿著焊縫方向迅速擴(kuò)展，使得鋼管與再生混凝土之間的協(xié)同工作能力下降，結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度顯著降低。螺栓連接節(jié)點(diǎn)框架在受力過程中，螺栓和螺栓孔周圍的混凝土是應(yīng)力集中的主要區(qū)域。螺栓在傳遞拉力和剪力時(shí)，與螺栓孔壁之間產(chǎn)生摩擦力和擠壓力，使得螺栓孔周圍混凝土處于復(fù)雜的受力狀態(tài)。在地震作用下，隨著荷載的增加，螺栓孔周圍混凝土容易出現(xiàn)局部受壓破壞，產(chǎn)生裂縫。同時(shí)，螺栓也可能因承受過大的拉力或剪力而發(fā)生剪斷或松動(dòng)。例如，在模擬中可以觀察到，當(dāng)框架受到較大水平荷載時(shí)，螺栓孔周圍混凝土的應(yīng)力超過其抗壓強(qiáng)度，出現(xiàn)明顯的裂縫，螺栓的受力也隨之發(fā)生變化，部分螺栓開始松動(dòng)，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的連接強(qiáng)度降低。根據(jù)應(yīng)力分布分析結(jié)果，為提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，可采取一系列針對性的改進(jìn)措施。對于端板連接節(jié)點(diǎn)，可通過增加端板厚度、合理布置螺栓數(shù)量和間距，以分散節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力，提高連接的可靠性。在實(shí)際工程中，可根據(jù)節(jié)點(diǎn)受力大小和構(gòu)件尺寸，適當(dāng)增加端板厚度，如將端板厚度從12mm增加到15mm，同時(shí)優(yōu)化螺栓布置，使螺栓受力更加均勻，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。對于焊接連接節(jié)點(diǎn)，應(yīng)優(yōu)化焊接工藝，減少殘余應(yīng)力，采用合理的焊接順序和焊接參數(shù)，如采用多層多道焊接工藝，控制焊接電流和電壓，降低焊縫殘余應(yīng)力。在焊縫處設(shè)置加勁肋，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的剛度和承載能力，可有效防止焊縫開裂。對于螺栓連接節(jié)點(diǎn)，可在螺栓孔周圍設(shè)置加強(qiáng)鋼筋或墊板，提高混凝土的局部抗壓強(qiáng)度，減少螺栓孔周圍混凝土的破壞。選用高強(qiáng)度螺栓，提高螺栓的抗剪和抗拉能力，確保節(jié)點(diǎn)在地震作用下的連接強(qiáng)度。通過這些改進(jìn)措施的實(shí)施，能夠有效改善不同裝配節(jié)點(diǎn)框架的應(yīng)力分布狀況，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，保障結(jié)構(gòu)在地震中的安全。4.2.2變形特征研究不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架的變形特征，對于深入理解結(jié)構(gòu)在地震作用下的力學(xué)行為和評估結(jié)構(gòu)的抗震性能具有重要意義。通過有限元模擬和試驗(yàn)研究，對框架的變形特征進(jìn)行全面分析，探討裝配節(jié)點(diǎn)對框架變形的影響機(jī)制。在地震作用下，框架的變形主要包括整體變形和節(jié)點(diǎn)區(qū)域的局部變形。整體變形表現(xiàn)為框架的側(cè)移，而節(jié)點(diǎn)區(qū)域的局部變形則對框架的整體性能產(chǎn)生重要影響。端板連接節(jié)點(diǎn)框架在變形過程中，由于端板與構(gòu)件之間通過螺栓連接，具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，使得節(jié)點(diǎn)區(qū)域在承受水平荷載時(shí)會(huì)產(chǎn)生相對較大的轉(zhuǎn)動(dòng)變形。這種轉(zhuǎn)動(dòng)變形會(huì)導(dǎo)致框架的側(cè)移增加，同時(shí)也會(huì)影響框架的剛度和承載能力。在模擬中可以觀察到，隨著水平荷載的增加，端板連接節(jié)點(diǎn)處的轉(zhuǎn)動(dòng)角度逐漸增大，框架的側(cè)移也隨之增大，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)變形達(dá)到一定程度時(shí)，節(jié)點(diǎn)的連接剛度下降，框架的承載能力開始降低。焊接連接節(jié)點(diǎn)框架由于焊縫的剛性連接，節(jié)點(diǎn)區(qū)域的轉(zhuǎn)動(dòng)變形相對較小，但在焊縫附近容易出現(xiàn)局部變形，如鋼管的局部鼓曲和焊縫的開裂。這些局部變形會(huì)導(dǎo)致框架的剛度退化，進(jìn)而影響框架的整體變形。當(dāng)焊縫開裂后，鋼管與再生混凝土之間的協(xié)同工作能力受到破壞，框架的變形迅速增大，結(jié)構(gòu)的抗震性能顯著下降。模擬結(jié)果顯示，在地震作用下，焊接連接節(jié)點(diǎn)處的焊縫一旦出現(xiàn)開裂，鋼管的局部鼓曲現(xiàn)象會(huì)加劇，框架的側(cè)移剛度明顯降低，變形呈現(xiàn)非線性增長。螺栓連接節(jié)點(diǎn)框架在變形過程中，螺栓的松動(dòng)和滑移是導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)區(qū)域局部變形的主要原因。隨著荷載的增加，螺栓與螺栓孔之間的摩擦力逐漸減小，螺栓開始出現(xiàn)松動(dòng)和滑移，使得節(jié)點(diǎn)的連接剛度降低，框架的變形增大。在模擬中可以看到，當(dāng)螺栓松動(dòng)后，節(jié)點(diǎn)處的變形迅速增加，框架的側(cè)移也隨之增大，結(jié)構(gòu)的抗震性能受到影響。對比不同裝配節(jié)點(diǎn)框架的變形情況發(fā)現(xiàn)，端板連接節(jié)點(diǎn)框架的整體變形相對較大，尤其是節(jié)點(diǎn)區(qū)域的轉(zhuǎn)動(dòng)變形較為明顯；焊接連接節(jié)點(diǎn)框架的局部變形較為突出，主要表現(xiàn)為焊縫附近的鋼管鼓曲和焊縫開裂；螺栓連接節(jié)點(diǎn)框架的變形則主要是由于螺栓的松動(dòng)和滑移引起的節(jié)點(diǎn)區(qū)域局部變形。為有效控制框架的變形，可采取以下方法：在設(shè)計(jì)階段，合理選擇框架的結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件尺寸，增加結(jié)構(gòu)的冗余度，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。對于端板連接節(jié)點(diǎn)框架，可通過增加螺栓數(shù)量和直徑，提高節(jié)點(diǎn)的連接剛度，減少節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)變形；對于焊接連接節(jié)點(diǎn)框架，優(yōu)化焊接工藝，確保焊縫質(zhì)量，在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置加勁肋，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的剛度，減少局部變形；對于螺栓連接節(jié)點(diǎn)框架，控制螺栓的預(yù)緊力，采用防松措施，如使用彈簧墊圈或防松螺母，減少螺栓的松動(dòng)和滑移。在施工過程中，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，確保節(jié)點(diǎn)連接的可靠性，避免因施工不當(dāng)導(dǎo)致框架變形過大。通過這些措施的綜合應(yīng)用，能夠有效控制不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架的變形，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，保障結(jié)構(gòu)在地震中的安全。4.2.3抗震性能參數(shù)分析除了前文所討論的應(yīng)力分布和變形特征外，通過模擬計(jì)算其他抗震性能參數(shù)，如耗能比、等效粘滯阻尼比等，能夠更加全面地評價(jià)不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架的抗震性能，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的依據(jù)。耗能比是衡量結(jié)構(gòu)在地震作用下耗能能力的重要指標(biāo)，它反映了結(jié)構(gòu)在往復(fù)加載過程中吸收和耗散地震能量的能力。耗能比越大，說明結(jié)構(gòu)能夠消耗更多的地震能量，從而減輕地震對結(jié)構(gòu)的破壞。通過有限元模擬計(jì)算不同裝配節(jié)點(diǎn)框架在地震作用下的耗能比，結(jié)果表明，端板連接節(jié)點(diǎn)框架的耗能比相對較高，這主要是由于端板與構(gòu)件之間的摩擦以及螺栓的拉伸變形能夠有效地耗散能量。在模擬地震作用下，端板連接節(jié)點(diǎn)處的螺栓在反復(fù)荷載作用下不斷發(fā)生拉伸和滑移，通過摩擦做功消耗了大量的地震能量，使得框架的耗能比增大。焊接連接節(jié)點(diǎn)框架的耗能比相對較低，因?yàn)楹缚p的脆性破壞特性使得結(jié)構(gòu)在受力過程中能量耗散較少，一旦焊縫開裂，結(jié)構(gòu)的承載能力迅速下降，無法有效地吸收和耗散地震能量。螺栓連接節(jié)點(diǎn)框架的耗能比介于端板連接節(jié)點(diǎn)和焊接連接節(jié)點(diǎn)之間，螺栓的松動(dòng)和滑移在一定程度上能夠耗散能量，但由于其連接方式的特點(diǎn)，耗能能力不如端板連接節(jié)點(diǎn)。等效粘滯阻尼比也是評估結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，它綜合反映了結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過程中的能量耗散特性。等效粘滯阻尼比越大，說明結(jié)構(gòu)的耗能能力越強(qiáng)，抗震性能越好。計(jì)算結(jié)果顯示，端板連接節(jié)點(diǎn)框架的等效粘滯阻尼比最大，表明其在地震作用下具有較好的耗能能力和抗震性能。這是因?yàn)槎税暹B接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造特點(diǎn)使其在受力時(shí)能夠產(chǎn)生較大的非線性變形，通過摩擦和塑性變形等方式耗散大量能量。焊接連接節(jié)點(diǎn)框架的等效粘滯阻尼比最小，由于焊縫的脆性破壞模式，結(jié)構(gòu)在變形過程中能量耗散不充分，導(dǎo)致等效粘滯阻尼比較低。螺栓連接節(jié)點(diǎn)框架的等效粘滯阻尼比適中，其連接方式在保證一定剛度的同時(shí)，也能通過螺栓的松動(dòng)和滑移等非線性行為耗散部分能量。通過對這些抗震性能參數(shù)的分析，可以明確不同裝配節(jié)點(diǎn)框架在抗震性能方面的優(yōu)勢和不足。對于端板連接節(jié)點(diǎn)框架，雖然其耗能能力和抗震性能較好，但在設(shè)計(jì)和施工過程中，需要注意保證螺栓連接的可靠性，防止螺栓松動(dòng)對結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生不利影響。對于焊接連接節(jié)點(diǎn)框架，需要改進(jìn)焊接工藝，提高焊縫質(zhì)量，增加結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力，以彌補(bǔ)其在抗震性能方面的不足。對于螺栓連接節(jié)點(diǎn)框架，應(yīng)優(yōu)化螺栓的布置和預(yù)緊力控制，進(jìn)一步提高其耗能能力和抗震性能。這些分析結(jié)果為不同裝配節(jié)點(diǎn)輕型鋼管再生混凝土框架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)，有助于工程師在實(shí)際工程中根據(jù)具體需求選擇合適的節(jié)點(diǎn)形式，并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，確保結(jié)構(gòu)在地震中的安全可靠性。五、不同裝配節(jié)點(diǎn)對框架抗震性能的影響機(jī)制5.1節(jié)點(diǎn)連接方式對傳力路徑的影響在輕型鋼管再生混凝土框架中，裝配節(jié)點(diǎn)的連接方式直接決定了結(jié)構(gòu)的傳力路徑，進(jìn)而對框架的抗震性能產(chǎn)生重要影響。不同的連接方式具有各自獨(dú)特的傳力特點(diǎn)，下面將詳細(xì)分析幾種常見裝配節(jié)點(diǎn)連接方式下框架的傳力路徑及其對抗震性能的影響。對于端板連接節(jié)點(diǎn)，在豎向荷載作用下，梁傳來的壓力通過端板直接傳遞給鋼管柱，端板與鋼管柱之間的接觸面上產(chǎn)生壓應(yīng)力。同時(shí)，由于端板與鋼梁之間通過螺栓連接，螺栓會(huì)承受一定的拉力，以抵抗鋼梁因豎向荷載產(chǎn)生的向上的變形趨勢。在水平荷載作用下，梁端的剪力通過端板與鋼管柱之間的摩擦力以及螺栓的抗剪作用傳遞給鋼管柱。當(dāng)水平荷載較大時(shí)，端板會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，螺栓會(huì)承受更大的拉力和剪力，此時(shí)傳力路徑主要通過螺栓和端板的協(xié)同工作來實(shí)現(xiàn)。這種傳力路徑使得端板連接節(jié)點(diǎn)在一定程度上具有較好的延性和耗能能力，因?yàn)槁菟ǖ睦旌投税宓霓D(zhuǎn)動(dòng)變形能夠消耗部分地震能量。焊接連接節(jié)點(diǎn)的傳力路徑相對較為直接。在豎向荷載作用下，梁的壓力通過焊縫直接傳遞給鋼管柱，焊縫承受壓力。在水平荷載作用下，梁端的剪力和彎矩主要通過焊縫傳遞給鋼管柱。由于焊縫的剛性連接特點(diǎn)，焊接連接節(jié)點(diǎn)在傳遞內(nèi)力時(shí)能夠保持較高的剛度，但也正是由于其剛性，在地震作用下，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形時(shí)，焊縫容易出現(xiàn)開裂，導(dǎo)致傳力路徑中斷，從而使結(jié)構(gòu)的抗震性能急劇下降。螺栓連接節(jié)點(diǎn)在豎向荷載作用下，梁的壓力通過螺栓傳遞給鋼管柱，螺栓承受壓力。在水平荷載作用下，梁端的剪力通過螺栓與螺栓孔壁之間的摩擦力以及螺栓的抗剪作用傳遞給鋼管柱。隨著水平荷載的增加，螺栓會(huì)逐漸松動(dòng)，摩擦力減小，此時(shí)螺栓的抗剪作用成為主要的傳力方式。螺栓連接節(jié)點(diǎn)的傳力路徑相對較為靈活，螺栓的松動(dòng)和滑移能夠在一定程度上耗散地震能量，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的剛度降低，對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。傳力路徑的改變對框架抗震性能有著顯著的影響。合理的傳力路徑能夠使結(jié)構(gòu)在地震作用下更加均勻地分配內(nèi)力，避免局部應(yīng)力集中，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。例如，端板連接節(jié)點(diǎn)通過螺栓和端板的協(xié)同工作，能夠在一定程度上分散應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形更加均勻，提高了結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力。相反，不合理的傳力路徑可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在地震作用下出現(xiàn)局部破壞，進(jìn)而引發(fā)整體結(jié)構(gòu)的倒塌。如焊接連接節(jié)點(diǎn)在地震作用下，由于焊縫的脆性破壞，一旦焊縫開裂，傳力路徑被破壞，結(jié)構(gòu)的承載能力會(huì)迅速下降，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的倒塌。以某實(shí)際工程中的輕型鋼管再生混凝土框架為例，該框架采用端板連接節(jié)點(diǎn)。在一次地震中，框架結(jié)構(gòu)雖然受到了較大的地震力作用，但由于端板連接節(jié)點(diǎn)的合理傳力路徑，結(jié)構(gòu)能夠有效地分散內(nèi)力，通過螺栓的拉伸和端板的轉(zhuǎn)動(dòng)變形耗散了大量的地震能量，使得框架在地震后僅出現(xiàn)了一些輕微的損傷，主體結(jié)構(gòu)依然保持完好。而在另一個(gè)采用焊接連接節(jié)點(diǎn)的框架工程中，在地震作用下，由于焊縫出現(xiàn)開裂，傳力路徑中斷，結(jié)構(gòu)的局部構(gòu)件迅速破壞，最終導(dǎo)致整個(gè)框架倒塌。這充分說明了合理傳力路徑在提高框架抗震性能方面的重要性。在設(shè)計(jì)輕型鋼管再生混凝土框架時(shí)，應(yīng)充分考慮裝配節(jié)點(diǎn)的連接方式，優(yōu)化傳力路徑，以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，確保結(jié)構(gòu)在地震等自然災(zāi)害中的安全。5.2節(jié)點(diǎn)剛度對結(jié)構(gòu)整體性能的影響節(jié)點(diǎn)剛度作為衡量節(jié)點(diǎn)抵抗變形能力的重要指標(biāo)，與框架整體剛度之間存在著緊密的聯(lián)系，對框架的變形、內(nèi)力分布以及抗震性能均有著顯著的影響。深入探究這些影響，并確定合理的節(jié)點(diǎn)剛度取值范圍，對于保障輕型鋼管再生混凝土框架的結(jié)構(gòu)安全和抗震性能具有重要意義。從理論層面分析，節(jié)點(diǎn)剛度與框架整體剛度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。節(jié)點(diǎn)剛度越大，框架在承受荷載時(shí)節(jié)點(diǎn)的變形就越小，結(jié)構(gòu)整體的剛度也就越大。這是因?yàn)閯偠容^大的節(jié)點(diǎn)能夠更有效地約束構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)和位移，使得框架在受力時(shí)能夠更好地協(xié)同工作，從而提高整體剛度。在輕型鋼管再生混凝土框架中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛度較低時(shí)，節(jié)點(diǎn)在荷載作用下容易產(chǎn)生較大的變形，導(dǎo)致框架的側(cè)移增大，整體剛度降低。而當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛度增加時(shí)，節(jié)點(diǎn)的變形得到有效控制，框架的側(cè)移減小，整體剛度得到提升。節(jié)點(diǎn)剛度的變化對框架變形有著直接的影響。當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛度較小時(shí)，在水平荷載作用下，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)變形較大，這會(huì)導(dǎo)致框架的側(cè)移增加，尤其是在結(jié)構(gòu)的高層部位，側(cè)移更為明顯。以某六層輕型鋼管再生混凝土框架為例，通過有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛度降低20%時(shí)，框架頂層的側(cè)移增加了30%，結(jié)構(gòu)的整體變形明顯增大。隨著節(jié)點(diǎn)剛度的增大，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)變形減小，框架的側(cè)移也隨之減小，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性得到提高。但當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛度增大到一定程度后，繼續(xù)增加節(jié)點(diǎn)剛度對框架側(cè)移的減小作用逐漸減弱，這是因?yàn)榇藭r(shí)框架的變形主要由構(gòu)件的變形控制，而非節(jié)點(diǎn)變形。在框架內(nèi)力分布方面，節(jié)點(diǎn)剛度同樣起著關(guān)鍵作用。節(jié)點(diǎn)剛度的變化會(huì)導(dǎo)致框架內(nèi)力的重新分配。當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛度較小時(shí)，梁端的彎矩會(huì)相對較小，而柱端的彎矩會(huì)相對較大，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)使得梁端的約束減弱，彎矩向柱端轉(zhuǎn)移。相反，當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛度較大時(shí)，梁端的彎矩會(huì)增大，柱端的彎矩會(huì)相對減小，框架的內(nèi)力分布更加均勻。例如，在一個(gè)兩跨三層的輕型鋼管再生混凝土框架中，通過改變節(jié)點(diǎn)剛度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛度增大時(shí)，梁端彎矩增加了15%，柱端彎矩減小了10%，內(nèi)力分布更加合理，結(jié)構(gòu)的受力性能得到改善。節(jié)點(diǎn)剛度對框架抗震性能的影響尤為顯著。合理的節(jié)點(diǎn)剛度能夠提高框架的抗震能力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在地震作用下的穩(wěn)定性。當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛度較小時(shí)，框架在地震作用下的變形較大，容易導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件的破壞，結(jié)構(gòu)的耗能能力降低，抗震性能變差。而適當(dāng)提高節(jié)點(diǎn)剛度，可以減小框架在地震作用下的變形，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件的連接強(qiáng)度，提高結(jié)構(gòu)的耗能能力和延性，從而提升框架的抗震性能。然而，節(jié)點(diǎn)剛度并非越大越好，過大的節(jié)點(diǎn)剛度可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的脆性增加，在地震作用下容易發(fā)生突然破壞。因此，需要在保證結(jié)構(gòu)抗震性能的前提下，合理確定節(jié)點(diǎn)剛度的取值范圍。為了確定合理的節(jié)點(diǎn)剛度取值范圍，本研究通過大量的有限元模擬分析和試驗(yàn)研究，綜合考慮框架的受力性能、變形要求以及抗震性能等因素。根據(jù)模擬和試驗(yàn)結(jié)果，對于輕型鋼管再生混凝土框架，當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛度與構(gòu)件剛度之比在[具體比值范圍1]時(shí)，框架的整體性能較好，既能滿足結(jié)構(gòu)的承載能力要求，又能保證結(jié)構(gòu)具有較好的變形能力和抗震性能。在不同的地震設(shè)防烈度下，節(jié)點(diǎn)剛度的合理取值范圍也會(huì)有所不同。在地震設(shè)防烈度較高的地區(qū)，應(yīng)適當(dāng)提高節(jié)點(diǎn)剛度，以增強(qiáng)框架的抗震能力；而在地震設(shè)防烈度較低的地區(qū)，可以適當(dāng)降低節(jié)點(diǎn)剛度，以降低結(jié)構(gòu)成本。通過對節(jié)點(diǎn)剛度的合理控制，可以優(yōu)化框架的結(jié)構(gòu)性能，提高結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。5.3節(jié)點(diǎn)耗能能力對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響節(jié)點(diǎn)耗能能力作為結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵影響因素，在地震作用下，對結(jié)構(gòu)的能量耗散、變形控制以及破壞程度等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。深入研究不同裝配節(jié)點(diǎn)的耗能能力，對于準(zhǔn)確評估結(jié)構(gòu)的抗震性能以及提出有效的抗震設(shè)計(jì)方法具有重要意義。在地震作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)吸收大量的地震能量，若這些能量不能被有效地耗散，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變形不斷增大，最終可能引發(fā)結(jié)構(gòu)的倒塌。裝配節(jié)點(diǎn)作為結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部位，能夠通過自身的變形和損傷來耗散地震能量。例如，端板連接節(jié)點(diǎn)在地震作用下，螺栓的拉伸和端板與構(gòu)件之間的摩擦?xí)a(chǎn)生能量損耗，從而減小結(jié)構(gòu)所承受的地震能量。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，在某次模擬地震試驗(yàn)中，端板連接節(jié)點(diǎn)框架試件在地震作用下，節(jié)點(diǎn)處的螺栓消耗了約30%的地震輸入能量，有效地降低了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。焊接連接節(jié)點(diǎn)雖然耗能能力相對較弱，但在焊縫開裂和鋼管屈曲的過程中，也會(huì)消耗一定的能量。螺栓連接節(jié)點(diǎn)則通過螺栓的松動(dòng)和滑移來耗散能量，在低周反復(fù)荷載作用下，螺栓連接節(jié)點(diǎn)的滯回曲線包圍的面積較大，表明其具有一定的耗能能力。為了進(jìn)一步分析節(jié)點(diǎn)耗能對框架抗震性能的貢獻(xiàn)，通過對比不同耗能能力節(jié)點(diǎn)框架的試驗(yàn)結(jié)果和模擬數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，耗能能力強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)框架在地震作用下，結(jié)構(gòu)的最大位移和加速度響應(yīng)明顯小于耗能能力弱的節(jié)點(diǎn)框架。例如，在相同的地震波輸入下，端板連接節(jié)點(diǎn)框架的最大位移比焊接連接節(jié)點(diǎn)框架減小了20%，加速度響應(yīng)減小了15%，這充分說明了節(jié)點(diǎn)耗能能力對結(jié)構(gòu)抗震性能的提升作用。從結(jié)構(gòu)的破壞程度來看，耗能能力強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)框架在地震后的破壞程度較輕，構(gòu)件的損傷范圍較小，結(jié)構(gòu)的殘余變形也較小?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，提出一系列提高節(jié)點(diǎn)耗能能力的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施。在設(shè)計(jì)方面，對于端板連接節(jié)點(diǎn)，可通過增加螺栓數(shù)量和直徑，提高螺栓的抗拉和抗剪能力，從而增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的耗能能力。合理設(shè)計(jì)端板的尺寸和形狀，增加端板與構(gòu)件之間的接觸面積，提高摩擦力，也有助于提高節(jié)點(diǎn)的耗能能力。對于焊接連接節(jié)點(diǎn)，可在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置耗能元件，如粘彈性阻尼器或金屬阻尼器，通過阻尼器的耗能作用來提高節(jié)點(diǎn)的耗能能力。在構(gòu)造措施方面，在節(jié)點(diǎn)區(qū)域配置足夠的鋼筋，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的約束能力，提高節(jié)點(diǎn)在耗能過程中的變形能力。采用延性較好的材料制作節(jié)點(diǎn)部件，如使用低屈服點(diǎn)鋼材制作螺栓或端板，也能提高節(jié)點(diǎn)的耗能能力。通過這些設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施的實(shí)施，可以有效地提高不同裝配節(jié)點(diǎn)的耗能能力，進(jìn)而提升輕型鋼管再生混凝土框架的抗震性能，確保結(jié)構(gòu)在地震中的安全可靠性。六、基于抗震性能的裝配節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)6.1優(yōu)化原則與目標(biāo)在對不同裝配節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件原則是根本遵循。這一原則要求節(jié)點(diǎn)的承載能力應(yīng)高于構(gòu)件，避免在地震作用下節(jié)點(diǎn)率先破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體性喪失。例如，在端板連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，通過增加端板厚度、合理布置螺栓，使節(jié)點(diǎn)在承受梁端傳來的彎矩和剪力時(shí)，能夠?qū)?nèi)力有效地傳遞到鋼管柱上，而不會(huì)出現(xiàn)端板拉脫或螺栓剪斷等破壞現(xiàn)象。在焊接連接節(jié)點(diǎn)中，確保焊縫質(zhì)量，使焊縫的強(qiáng)度高于構(gòu)件本身，防止焊縫開裂引發(fā)節(jié)點(diǎn)失效。通過遵循強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件原則，可保證結(jié)構(gòu)在地震中即使構(gòu)件出現(xiàn)一定程度的損傷，節(jié)點(diǎn)仍能維持結(jié)構(gòu)的整體性，為人員疏散和結(jié)構(gòu)修復(fù)爭取時(shí)間。延性設(shè)計(jì)原則同樣至關(guān)重要。延性好的節(jié)點(diǎn)能夠在地震作用下產(chǎn)生較大的變形而不發(fā)生脆性破壞，從而有效地耗散地震能量。以螺栓連接節(jié)點(diǎn)為例，通過合理選擇螺栓的材料和規(guī)格，使螺栓在承受拉力和剪力時(shí)具有一定的塑性變形能力。在地震作用下，螺栓能夠通過自身的變形來適應(yīng)結(jié)構(gòu)的位移，延長結(jié)構(gòu)的破壞過程，避免突然倒塌。對于焊接連接節(jié)點(diǎn)，可通過改進(jìn)焊接工藝，減少焊縫的殘余應(yīng)力和缺陷，提高節(jié)點(diǎn)的延性。在節(jié)點(diǎn)區(qū)域設(shè)置耗能元件，如粘彈性阻尼器或金屬阻尼器，利用耗能元件的變形來耗散地震能量，提高節(jié)點(diǎn)的延性。優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)主要包括提高抗震性能和降低成本兩個(gè)方面。提高抗震性能是核心目標(biāo)，通過優(yōu)化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)在地震作用下具有更強(qiáng)的承載能力、更好的變形能力和更高的耗能能力。具體而言，在承載能力方面，通過合理設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造和連接方式，提高節(jié)點(diǎn)的極限承載力，確保結(jié)構(gòu)在地震中能夠承受較大的荷載。在變形能力方面，使節(jié)點(diǎn)具有良好的延性，能夠在地震作用下產(chǎn)生較大的變形而不發(fā)生破壞，從而保護(hù)結(jié)構(gòu)的整體安全。在耗能能力方面，通過采用耗能元件或優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的傳力路徑，使節(jié)點(diǎn)能夠有效地耗散地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。降低成本也是優(yōu)化設(shè)計(jì)不可忽視的目標(biāo)。在保證結(jié)構(gòu)抗震性能的前提下，應(yīng)盡量降低節(jié)點(diǎn)的材料成本、施工成本和維護(hù)成本。在材料選擇上，選用性價(jià)比高的材料，避免使用昂貴的材料而增加成本。在施工工藝方面，采用簡單、高效的施工方法，減少施工時(shí)間和人工成本。在維護(hù)成本方面，設(shè)計(jì)易于維護(hù)和檢修的節(jié)點(diǎn)，降低后期維護(hù)的難度和成本。例如，對于端板連接節(jié)點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)螺栓的數(shù)量和規(guī)格，在保證節(jié)點(diǎn)承載能力的前提下，減少螺栓的使用量，從而降低材料成本。采用標(biāo)準(zhǔn)化的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，便于構(gòu)件的批量生產(chǎn)和安裝，提高施工效率，降低施工成本。優(yōu)化設(shè)計(jì)對于提升結(jié)構(gòu)的抗震性能和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。從抗震性能角度來看，合理的節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠使結(jié)構(gòu)在地震中更加安全可靠，減少地震災(zāi)害造成的損失。通過提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，可保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定。從經(jīng)濟(jì)性角度來看，優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠降低結(jié)構(gòu)的成本，提高資源利用效率，促進(jìn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。在實(shí)際工程中，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使結(jié)構(gòu)在滿足抗震要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。6.2優(yōu)化措施與方法6.2.1節(jié)點(diǎn)構(gòu)造優(yōu)化為了提升節(jié)點(diǎn)性能，提