扩孔型高延性钢结构新型梁柱节点及相应钢框架体系的试验和理论研究

Good ductility is a crucial factor for structures to keep the collapse-resisting capacity under the action of strong earthquakes, while the ductility of structures depends strongly on the behavior of their beam-to-column connections. To improve the ductility of traditional steel beam-to-column connections, two new types of high ductile steel beam-to-column connections with slotted holes are brought forward based on semi-rigid connections. The presented new-style connections can provide high ductility and fulfill the controllability of ductility by frictional sliding of high-strength bolts in slotted bolt holes opening in the connection components. Furthermore, new-style connections can dissipate more seismic energy than traditional steel connections, and can be constructed and rehabilitated easily. The static and dynamic behaviors of new-style connections will be explored systematically on experimental and numerical analyses in this research project firstly. To clarify the interrelationship between the new-style connections and the corresponding steel frame systems, static and dynamic characters of steel frames with new-style connections will be studied experimentally and theoretically thereafter, which can help to lay a solid theoretical and methodological foundation for the design of steel frames using the presented new-style connections in practical engineering. This research project can provide a new design method for ductility-based seismic design of steel frame systems, and be of great significance for improving the seismic capacity of steel frame systems.

良好的延性是保证结构在强震作用下不发生倒塌破坏的关键因素，而节点的延性是影响结构整体延性的一个关键因素。针对目前已有钢结构梁柱节点的不足，本项目在半刚性螺栓连接的基础上提出了两种扩孔型高延性钢结构新型梁柱节点。新型节点可通过钢梁翼缘（及腹板）上的螺栓在扩孔后的长圆螺栓孔中的摩擦滑动，实现节点的高延性和延性可控性。此外，新型节点还具有良好的耗能能力及施工方便、易修复等优点。本项目将通过试验和理论分析，系统深入地探讨扩孔型高延性钢结构新型梁柱节点的静、动力特性；在此基础上，对采用新型梁柱节点的钢框架体系进行静、动力试验和理论分析，系统研究新型节点与钢框架整体结构之间的相互影响，并掌握其规律，为扩孔型高延性钢结构新型梁柱节点的实际工程应用奠定坚实的理论基础和设计依据。本项目的研究可为钢框架体系基于延性的抗震设计提供新的设计思路和方法，对于提高钢框架体系的抗震能力有着重要的意义。

良好的延性是保证结构在强震作用下不发生倒塌破坏的关键因素，而节点的延性是影响结构整体延性的一个关键因素。针对目前已有钢结构梁柱节点的不足，本项目在半刚性螺栓连接的基础上提出了两类扩孔型高延性钢结构新型梁柱节点：扩孔型短T型钢连接节点和扩孔型π形件连接节点。.本项目首先基于拟静力试验和有限元分析，探讨了采用不同扩孔参数、不同摩擦面处理方法的两类新型节点在循环荷载作用下的力学行为、传力机理、破坏模式以及连接部件的受力和变形特点，并与传统半刚性节点和狗骨式节点进行了对比分析；评估了新型钢结构节点因扩孔引起的摩擦滑动对节点总耗能和延性的贡献程度；建立了两类新型钢结构节点的恢复力模型；同时基于试验和有限元分析结果，探讨了两类新型钢结构节点的整体受力模式和设计方法。然后，针对一系列采用新型钢结构节点的钢框架模型分别开展了静力弹塑性（Pushover）和动力弹塑性分析，研究了不同高宽比及不同设防烈度下，新型节点及其扩孔尺寸对钢框架整体受力性能的影响。最后，分别针对每一类新型钢结构节点开展了两层足尺钢框架拟静力试验，探讨了新型节点对钢框架失效（破坏）模式、整体刚度、延性等的影响，并与数值模拟结果进行对比分析。.研究结果表明：（1）基于扩孔理念的两类新型钢节点均具备优异的抗震性能，表现出了高延性、高耗能、可修复、施工便利等优点；（2）与刚接和传统半刚接钢框架相比，采用新型节点的钢框架具有延性显著增大但基底剪力明显降低的特点；（3）可通过对扩孔尺寸的合理设计，实现对节点和结构变形、延性、耗能等力学性能指标的可控性。.项目的研究成果为基于性能的钢框架体系抗震设计提供了新的思路和设计方法，对于提高钢框架体系的抗震能力有着重要的理论指导意义；同时也为此两类扩孔型钢结构新型节点的实际工程推广应用提供了很好的试验数据支撑和理论支持。