受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接性能的多維度解析：實驗與數(shù)值分析的融合視角一、引言1.1研究背景在現(xiàn)代建筑領(lǐng)域中，鋼框架結(jié)構(gòu)憑借其獨特的優(yōu)勢，成為了眾多建筑項目的首選結(jié)構(gòu)形式。鋼框架結(jié)構(gòu)以鋼材為主要材料，通過合理的設(shè)計和組裝，構(gòu)建起穩(wěn)固的建筑骨架。其在工業(yè)建筑中，能夠滿足大空間、大跨度的需求，為各類大型機(jī)械設(shè)備的安裝和運行提供充足的空間，例如大型工廠的生產(chǎn)車間，采用鋼框架結(jié)構(gòu)可以輕松實現(xiàn)幾十米甚至上百米的跨度，確保生產(chǎn)流程的順暢進(jìn)行。在商業(yè)建筑方面，鋼框架結(jié)構(gòu)的靈活性使得空間布局可以根據(jù)商業(yè)需求進(jìn)行自由調(diào)整，無論是大型購物中心的開放式布局，還是寫字樓的個性化辦公空間劃分，都能通過鋼框架結(jié)構(gòu)得以實現(xiàn)。而在民用建筑中，鋼框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也日益廣泛，如高層住宅、公寓等，其不僅能夠提供穩(wěn)定的居住環(huán)境，還能有效減輕建筑物的自重，降低基礎(chǔ)建設(shè)成本。據(jù)統(tǒng)計，在過去的幾十年里，鋼框架結(jié)構(gòu)在新建建筑中的占比逐年上升，尤其在發(fā)達(dá)國家，鋼框架結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用比例更是高達(dá)[X]%以上。梁-柱連接節(jié)點作為鋼框架結(jié)構(gòu)的核心部位，如同人體的關(guān)節(jié)一樣，起著至關(guān)重要的作用。在建筑結(jié)構(gòu)中，梁主要承擔(dān)著樓面和屋面?zhèn)鱽淼呢Q向荷載，并將這些荷載傳遞給柱；而柱則負(fù)責(zé)將梁傳來的荷載進(jìn)一步傳遞至基礎(chǔ)，最終將整個建筑物的重量穩(wěn)定地傳遞到地基上。梁-柱連接節(jié)點的性能直接決定了結(jié)構(gòu)內(nèi)力的傳遞效率和結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。當(dāng)建筑受到各種荷載作用時，如豎向的重力荷載、水平方向的風(fēng)荷載以及地震作用產(chǎn)生的地震荷載等，梁-柱連接節(jié)點需要承受復(fù)雜的內(nèi)力，包括彎矩、剪力、軸力和扭矩等。如果節(jié)點的連接性能不佳，在這些荷載的作用下，節(jié)點可能會率先出現(xiàn)破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的失效。以地震災(zāi)害為例，在1994年美國的Northridge地震以及1995年日本的Kobe地震中，大量采用鋼框架結(jié)構(gòu)的建筑遭受了嚴(yán)重的破壞，其中許多建筑的破壞始于梁-柱連接節(jié)點。這些節(jié)點在地震力的反復(fù)作用下，出現(xiàn)了焊縫開裂、螺栓松動、節(jié)點域腹板屈服等破壞形式，使得結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性急劇下降，最終導(dǎo)致建筑的倒塌或嚴(yán)重?fù)p壞，造成了巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。這些震害實例充分揭示了梁-柱連接節(jié)點性能對于建筑安全的關(guān)鍵意義，也凸顯了深入研究該性能的緊迫性和重要性。在實際工程中，建筑結(jié)構(gòu)除了承受常見的靜力荷載外，還可能遭遇各種沖擊荷載的作用。沖擊荷載是一種在極短時間內(nèi)施加的、具有高強(qiáng)度和高能量的動態(tài)荷載，其作用時間通常在毫秒甚至微秒量級。爆炸是一種典型的沖擊荷載源，如恐怖襲擊中的炸彈爆炸、工業(yè)生產(chǎn)中的意外爆炸等。當(dāng)爆炸發(fā)生時，瞬間釋放出的巨大能量會以沖擊波的形式向四周傳播，對周圍的建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊作用。在這種沖擊作用下，建筑結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與承受靜力荷載時截然不同，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生劇烈的振動和變形，梁-柱連接節(jié)點所承受的內(nèi)力會瞬間急劇增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其在靜力荷載下的設(shè)計值。此外，撞擊事件也會產(chǎn)生沖擊荷載，例如飛機(jī)撞擊建筑、車輛撞擊橋梁橋墩等。這些意外事件雖然發(fā)生的概率相對較低，但一旦發(fā)生，其造成的破壞往往是災(zāi)難性的。由于沖擊荷載的特殊性，使得受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接節(jié)點的性能研究變得極為復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性。目前，雖然在鋼框架結(jié)構(gòu)的靜力性能研究方面已經(jīng)取得了較為豐碩的成果，但對于受沖擊情況下梁-柱連接節(jié)點的性能研究還相對不足?，F(xiàn)有的研究成果難以全面、準(zhǔn)確地揭示受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接節(jié)點的力學(xué)行為、破壞機(jī)理以及影響因素，這在一定程度上制約了鋼框架結(jié)構(gòu)在高風(fēng)險環(huán)境下的應(yīng)用和發(fā)展。因此，開展受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接性能的研究具有重要的理論意義和工程實際價值，它將為鋼框架結(jié)構(gòu)在面對沖擊荷載時的設(shè)計、加固和防護(hù)提供堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，有助于提高建筑結(jié)構(gòu)在極端情況下的安全性和可靠性。1.2研究目的與意義本研究旨在通過實驗與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，深入探究受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接節(jié)點的性能，全面揭示其在沖擊荷載作用下的力學(xué)行為、破壞機(jī)理以及影響因素，為鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化和安全防護(hù)提供堅實的理論依據(jù)和科學(xué)的技術(shù)支持。從理論層面來看，受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接節(jié)點的性能研究是對結(jié)構(gòu)動力學(xué)和材料力學(xué)等多學(xué)科理論的拓展與深化。目前，雖然在結(jié)構(gòu)靜力性能研究方面已經(jīng)取得了大量成果，但在沖擊荷載作用下，結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)呈現(xiàn)出高度的非線性和瞬態(tài)性，傳統(tǒng)的理論和方法難以準(zhǔn)確描述和分析。本研究通過對受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接節(jié)點的深入研究，能夠進(jìn)一步完善結(jié)構(gòu)在沖擊荷載下的力學(xué)理論體系，填補(bǔ)相關(guān)理論空白。通過實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，深入分析節(jié)點在沖擊荷載下的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律、變形協(xié)調(diào)機(jī)制以及能量耗散特性等，為建立更加精確的結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐。這不僅有助于深化對結(jié)構(gòu)在極端荷載作用下力學(xué)行為的認(rèn)識，還能推動相關(guān)學(xué)科理論的發(fā)展，為其他類似結(jié)構(gòu)的研究提供借鑒和參考。在實際工程應(yīng)用中，本研究成果具有重要的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值。隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)面臨的安全風(fēng)險日益多樣化，沖擊荷載對建筑結(jié)構(gòu)的威脅不容忽視。通過本研究，可以為鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供更加科學(xué)合理的依據(jù)。在設(shè)計過程中，根據(jù)研究得出的節(jié)點性能參數(shù)和破壞模式，優(yōu)化節(jié)點的構(gòu)造形式和連接方式，提高節(jié)點的承載能力和抗沖擊性能，從而增強(qiáng)整個鋼框架結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的安全性和可靠性。在建筑結(jié)構(gòu)的加固和改造方面，本研究成果也能發(fā)揮重要作用。對于已建成的鋼框架結(jié)構(gòu)，通過評估其梁-柱連接節(jié)點在沖擊荷載下的性能，確定結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，有針對性地采取加固措施，提高結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力，降低潛在的安全風(fēng)險。本研究還可以為建筑結(jié)構(gòu)的安全防護(hù)提供技術(shù)支持，如制定合理的防護(hù)策略、設(shè)計有效的防護(hù)裝置等，減少沖擊荷載對建筑結(jié)構(gòu)的破壞，保障人民生命財產(chǎn)安全。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在過去的幾十年里，國內(nèi)外學(xué)者圍繞鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接性能展開了廣泛而深入的研究，尤其是在沖擊荷載作用下的性能研究方面取得了一定的成果。國外在該領(lǐng)域的研究起步較早，發(fā)展較為成熟。在實驗研究方面，美國、日本等國家的科研機(jī)構(gòu)和高校通過大量的足尺實驗和縮尺實驗，對不同類型的梁-柱連接節(jié)點在沖擊荷載下的性能進(jìn)行了研究。美國Lehigh大學(xué)的科研團(tuán)隊在早期就開展了一系列關(guān)于鋼框架梁柱連接節(jié)點的實驗研究，他們通過對不同連接方式和構(gòu)造細(xì)節(jié)的節(jié)點進(jìn)行靜力加載實驗，深入分析了節(jié)點的受力性能和破壞模式。在沖擊荷載實驗研究方面，一些研究團(tuán)隊利用大型沖擊實驗設(shè)備，如落錘沖擊試驗機(jī)、氣炮沖擊裝置等，對鋼框架梁-柱連接節(jié)點進(jìn)行沖擊加載，研究節(jié)點在沖擊荷載下的變形、破壞過程以及能量吸收特性。通過實驗觀察，發(fā)現(xiàn)節(jié)點在沖擊荷載作用下，可能會出現(xiàn)焊縫撕裂、螺栓松動、節(jié)點域腹板屈曲等破壞形式，這些破壞形式與沖擊荷載的大小、加載速率以及節(jié)點的構(gòu)造形式密切相關(guān)。在數(shù)值模擬研究方面，國外學(xué)者運用先進(jìn)的有限元軟件，如ABAQUS、ANSYS等，建立了高精度的鋼框架梁-柱連接節(jié)點模型。通過數(shù)值模擬，可以深入分析節(jié)點在沖擊荷載下的應(yīng)力應(yīng)變分布、能量傳遞和耗散機(jī)制等。一些學(xué)者通過數(shù)值模擬研究了不同參數(shù)對節(jié)點性能的影響，如鋼材的強(qiáng)度等級、節(jié)點域腹板的厚度、梁與柱的截面尺寸比等，為節(jié)點的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。在理論分析方面，國外學(xué)者提出了一些用于預(yù)測鋼框架梁-柱連接節(jié)點在沖擊荷載下性能的理論模型和計算方法。這些理論模型和計算方法考慮了沖擊荷載的特性、節(jié)點的力學(xué)行為以及材料的非線性等因素，在一定程度上能夠準(zhǔn)確預(yù)測節(jié)點的響應(yīng)和破壞模式。但這些理論模型和計算方法也存在一定的局限性，對于一些復(fù)雜的節(jié)點構(gòu)造和沖擊工況，其預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性還有待提高。國內(nèi)在受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接性能研究方面也取得了顯著的進(jìn)展。隨著我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，對鋼框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用需求不斷增加，對其在沖擊荷載下的性能研究也日益受到重視。在實驗研究方面，國內(nèi)眾多高校和科研機(jī)構(gòu)開展了相關(guān)的實驗工作。清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等高校通過自行設(shè)計和搭建沖擊實驗裝置，對鋼框架梁-柱連接節(jié)點進(jìn)行了沖擊實驗研究。實驗過程中，采用高速攝像機(jī)、應(yīng)變片、位移傳感器等先進(jìn)的測試設(shè)備，對節(jié)點在沖擊荷載作用下的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，研究了節(jié)點的變形規(guī)律、破壞機(jī)理以及影響節(jié)點性能的關(guān)鍵因素。在數(shù)值模擬研究方面，國內(nèi)學(xué)者積極借鑒國外先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)，結(jié)合我國工程實際情況，對鋼框架梁-柱連接節(jié)點進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。利用有限元軟件建立了考慮材料非線性、幾何非線性以及接觸非線性等多種因素的節(jié)點模型，通過數(shù)值模擬計算，得到了節(jié)點在沖擊荷載下的應(yīng)力應(yīng)變分布、變形歷程以及能量變化等信息。通過與實驗結(jié)果的對比驗證，進(jìn)一步提高了數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性和可靠性。在理論分析方面，國內(nèi)學(xué)者在吸收國外先進(jìn)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，開展了相關(guān)的理論研究工作。提出了一些適合我國國情的鋼框架梁-柱連接節(jié)點在沖擊荷載下的設(shè)計方法和計算理論，為我國鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用提供了理論支持。但總體來說，我國在該領(lǐng)域的研究與國外相比仍存在一定的差距，在實驗研究的深度和廣度、數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用水平以及理論研究的創(chuàng)新性等方面還有待進(jìn)一步提高。盡管國內(nèi)外在受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接性能研究方面已經(jīng)取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處?，F(xiàn)有研究中對于沖擊荷載的模擬方法和加載裝置還不夠完善，不同研究之間的實驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果缺乏良好的可比性。在節(jié)點的破壞機(jī)理研究方面，雖然已經(jīng)取得了一些認(rèn)識，但對于一些復(fù)雜的破壞現(xiàn)象，如節(jié)點在多次沖擊荷載作用下的累積損傷和破壞機(jī)制等，還需要進(jìn)一步深入研究。在節(jié)點的設(shè)計方法和規(guī)范方面，目前還缺乏系統(tǒng)、完善的針對沖擊荷載作用下的設(shè)計準(zhǔn)則和方法，現(xiàn)有的設(shè)計規(guī)范主要是基于靜力荷載和地震荷載制定的，難以滿足實際工程中對結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的要求。二、鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接概述2.1連接類型在鋼框架結(jié)構(gòu)中，梁-柱連接節(jié)點的類型豐富多樣，不同的連接類型具有各自獨特的特點和適用場景，這些連接類型的合理選擇對于鋼框架結(jié)構(gòu)的性能和安全性起著關(guān)鍵作用。全焊接連接是一種將梁和柱通過焊接工藝直接連接在一起的方式。這種連接方式的顯著優(yōu)點是連接強(qiáng)度高，能夠有效地傳遞彎矩、剪力和軸力等各種內(nèi)力。由于焊縫將梁和柱形成了一個整體，使得節(jié)點的剛性較大，在承受荷載時，節(jié)點的變形相對較小，從而能夠提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。在一些對結(jié)構(gòu)剛度要求較高的高層建筑中，全焊接連接可以確保梁-柱節(jié)點在承受豎向荷載和水平荷載時，能夠?qū)⒘τ行У貍鬟f，保證結(jié)構(gòu)的正常工作。全焊接連接的施工工藝相對復(fù)雜，需要專業(yè)的焊接設(shè)備和技術(shù)人員進(jìn)行操作。焊接過程中容易產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形，這些應(yīng)力和變形如果控制不當(dāng)，可能會導(dǎo)致節(jié)點出現(xiàn)裂紋等缺陷，影響節(jié)點的性能。焊接質(zhì)量的檢測也較為困難，需要采用專業(yè)的檢測方法，如超聲波探傷、射線探傷等，以確保焊縫的質(zhì)量符合要求。螺栓連接是通過螺栓將梁和柱連接起來的方式，可細(xì)分為普通螺栓連接和高強(qiáng)度螺栓連接。普通螺栓連接的螺桿與通孔之間存在較大間隙，這種連接方式加工精度要求較低，裝拆方便，成本相對較低。但由于間隙的存在，其連接剛度較低，在承受荷載時容易產(chǎn)生滑移，主要適用于一些對連接剛度要求不高、荷載較小的結(jié)構(gòu)，如一些臨時性建筑或輕型鋼結(jié)構(gòu)。高強(qiáng)度螺栓連接則通過施加預(yù)拉力，使連接件之間產(chǎn)生摩擦力來傳遞內(nèi)力。其連接剛度較大，能夠承受較大的荷載，且變形較小，廣泛應(yīng)用于各種重要的鋼結(jié)構(gòu)工程中。高強(qiáng)度螺栓連接施工相對簡便，不需要特殊的焊接設(shè)備，施工速度較快，且質(zhì)量容易控制。但高強(qiáng)度螺栓連接的材料成本較高，對螺栓的預(yù)拉力控制要求嚴(yán)格，如果預(yù)拉力不足或過大，都會影響連接的性能。此外，在長期使用過程中，由于振動等因素的影響，螺栓可能會出現(xiàn)松動現(xiàn)象，需要定期進(jìn)行檢查和緊固。栓焊混合連接結(jié)合了焊接和螺栓連接的優(yōu)點，在一個連接接頭中同時采用摩擦型高強(qiáng)度螺栓和焊縫兩種連接形式。在梁與柱的連接中，通常對梁的上、下翼緣采用焊接連接，以充分發(fā)揮焊接連接強(qiáng)度高、剛性大的特點，有效地傳遞彎矩；對腹板則采用高強(qiáng)度螺栓連接，利用螺栓連接施工方便、便于調(diào)整的優(yōu)勢來傳遞剪力。這種連接方式的變形特征相似，使得兩者能夠協(xié)同工作，共同承受荷載。栓焊混合連接施工方便，連接可靠，是工地安裝常用的連接方法，常用于梁柱連接接頭等重要部位。栓焊混合連接的施工順序?qū)?jié)點受力性能有一定的影響。如果高強(qiáng)度螺栓的緊固先于焊接，由于主滑動發(fā)生之前，高強(qiáng)度螺栓的連接剛度與焊接的連接剛度相近，接頭的承載力是兩者承載力之和；如先進(jìn)行焊接，焊接產(chǎn)生的初始應(yīng)變以及焊接受熱而使板件發(fā)生彎曲變形，雖然隨后以高強(qiáng)度螺栓緊固，也難以使連接面緊密貼合，因而不能保證充分的接觸壓力。在采用栓焊混合連接時，需要合理安排施工順序，并考慮焊接對高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力的影響。2.2受力特點在正常使用狀態(tài)下，鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接節(jié)點主要承受由樓面荷載、屋面荷載等產(chǎn)生的豎向力，以及風(fēng)荷載、地震作用等引起的水平力。在豎向荷載作用下，梁主要承受彎矩和剪力，將豎向荷載傳遞給柱。梁的彎矩沿梁長方向分布，跨中彎矩較大，支座處彎矩相對較??；剪力則在梁的兩端較大，跨中相對較小。柱主要承受軸向壓力和彎矩，軸向壓力由梁傳來的豎向荷載產(chǎn)生，彎矩則由梁端傳來的彎矩以及結(jié)構(gòu)整體的水平作用產(chǎn)生。柱的彎矩沿柱高方向分布，在柱腳和梁柱節(jié)點處彎矩較大。在水平荷載作用下，梁和柱都將承受彎矩、剪力和軸力。梁的水平力主要通過節(jié)點傳遞給柱，使得柱產(chǎn)生彎曲變形和軸向變形。節(jié)點在傳遞水平力的過程中，需要承受較大的剪力和彎矩，以保證梁和柱之間的協(xié)同工作。當(dāng)鋼框架結(jié)構(gòu)遭受沖擊荷載時，梁-柱連接節(jié)點的受力特點與正常荷載作用下有顯著差異。沖擊荷載具有加載時間短、荷載峰值大、能量集中等特點，這些特點使得節(jié)點在極短的時間內(nèi)承受巨大的內(nèi)力。在沖擊荷載作用瞬間，節(jié)點所承受的彎矩、剪力和軸力會急劇增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常使用狀態(tài)下的設(shè)計值。當(dāng)受到爆炸沖擊時，爆炸產(chǎn)生的沖擊波在瞬間作用于結(jié)構(gòu)，使梁-柱連接節(jié)點受到強(qiáng)大的沖擊力，節(jié)點處的彎矩和剪力會瞬間飆升。由于沖擊荷載的加載速率極高，結(jié)構(gòu)來不及充分變形以適應(yīng)荷載的變化，這就導(dǎo)致節(jié)點處的應(yīng)力集中現(xiàn)象更為嚴(yán)重。在節(jié)點的焊縫、螺栓連接處以及節(jié)點域等部位，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，使得這些部位成為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，率先發(fā)生破壞。沖擊荷載還會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動和變形，這種振動和變形會在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生慣性力，進(jìn)一步加劇節(jié)點的受力。結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的振動響應(yīng)具有明顯的非線性特征，節(jié)點的受力狀態(tài)會隨著結(jié)構(gòu)的振動不斷變化，增加了節(jié)點受力分析的復(fù)雜性。由于沖擊荷載的作用時間極短，結(jié)構(gòu)在沖擊作用下的響應(yīng)往往處于彈性-塑性階段，材料的非線性行為和結(jié)構(gòu)的幾何非線性都會對節(jié)點的受力性能產(chǎn)生重要影響。在分析受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接節(jié)點的受力性能時，需要充分考慮這些非線性因素的影響。梁-柱連接節(jié)點的受力性能對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和整體性起著關(guān)鍵作用。在正常荷載作用下，節(jié)點能夠有效地傳遞內(nèi)力，保證梁和柱之間的協(xié)同工作，從而維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和整體性能。當(dāng)節(jié)點在沖擊荷載作用下發(fā)生破壞時，如焊縫開裂、螺栓松動、節(jié)點域腹板屈曲等，會導(dǎo)致節(jié)點的傳力性能下降，甚至喪失傳力能力。這將使梁和柱之間的協(xié)同工作受到破壞，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布發(fā)生改變，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和整體性。嚴(yán)重情況下，可能會引發(fā)結(jié)構(gòu)的局部倒塌或整體倒塌，造成嚴(yán)重的安全事故。因此，深入研究受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接節(jié)點的受力特點，對于提高結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能、保障結(jié)構(gòu)的安全具有重要意義。2.3研究方法為深入研究受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接性能，本研究綜合運用實驗研究和數(shù)值分析兩種方法，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，相互驗證和補(bǔ)充，以全面、準(zhǔn)確地揭示結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的力學(xué)行為和破壞機(jī)理。實驗研究是獲取結(jié)構(gòu)真實性能數(shù)據(jù)的重要手段。本研究將設(shè)計并制作一系列具有代表性的鋼框架梁-柱連接節(jié)點試件，試件將涵蓋不同的連接類型，如全焊接連接、螺栓連接和栓焊混合連接等，以及不同的構(gòu)造參數(shù)，如節(jié)點域腹板厚度、梁與柱的截面尺寸比等。通過改變這些參數(shù)，研究其對節(jié)點性能的影響規(guī)律。在實驗過程中，采用落錘沖擊試驗機(jī)、氣炮沖擊裝置等先進(jìn)的沖擊加載設(shè)備，模擬不同強(qiáng)度和加載速率的沖擊荷載，對試件進(jìn)行沖擊加載。利用高速攝像機(jī)、應(yīng)變片、位移傳感器等多種測試設(shè)備，實時監(jiān)測節(jié)點在沖擊荷載作用下的動態(tài)響應(yīng)，包括變形過程、應(yīng)力應(yīng)變分布、能量吸收等。高速攝像機(jī)可以記錄節(jié)點在沖擊瞬間的變形和破壞過程，為后續(xù)的分析提供直觀的圖像資料；應(yīng)變片能夠精確測量節(jié)點關(guān)鍵部位的應(yīng)力應(yīng)變變化，獲取節(jié)點的力學(xué)性能數(shù)據(jù)；位移傳感器則可以監(jiān)測節(jié)點的位移響應(yīng)，了解節(jié)點的變形規(guī)律。通過對實驗數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，深入研究節(jié)點在沖擊荷載下的破壞模式、力學(xué)性能以及影響因素，為數(shù)值分析提供實驗依據(jù)和驗證數(shù)據(jù)。數(shù)值分析方法具有高效、靈活、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點，能夠?qū)?fù)雜的結(jié)構(gòu)和荷載工況進(jìn)行深入分析。本研究將運用大型通用有限元軟件ABAQUS建立高精度的鋼框架梁-柱連接節(jié)點有限元模型。在建模過程中，充分考慮材料非線性、幾何非線性以及接觸非線性等多種因素。材料非線性方面，采用合適的材料本構(gòu)模型，如雙線性隨動強(qiáng)化模型（BKIN）等，準(zhǔn)確描述鋼材在沖擊荷載作用下的非線性力學(xué)行為，包括屈服、強(qiáng)化、損傷等現(xiàn)象。幾何非線性方面，考慮結(jié)構(gòu)在大變形情況下的幾何形狀變化對力學(xué)性能的影響，采用大變形理論進(jìn)行分析。接觸非線性方面，合理定義梁與柱之間、螺栓與連接板之間等接觸界面的接觸屬性，模擬接觸過程中的摩擦、分離和碰撞等現(xiàn)象。通過數(shù)值模擬，可以得到節(jié)點在沖擊荷載下的應(yīng)力應(yīng)變分布、變形歷程、能量傳遞和耗散機(jī)制等詳細(xì)信息。通過改變模型中的參數(shù)，如沖擊荷載的大小、加載速率、節(jié)點的構(gòu)造參數(shù)等，系統(tǒng)研究這些因素對節(jié)點性能的影響，深入探討節(jié)點的破壞機(jī)理和力學(xué)性能變化規(guī)律。將實驗研究和數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對比驗證，是確保研究結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過對比實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，評估有限元模型的準(zhǔn)確性和有效性。如果兩者結(jié)果吻合較好，則說明有限元模型能夠準(zhǔn)確地模擬節(jié)點在沖擊荷載下的力學(xué)行為，可以進(jìn)一步利用該模型進(jìn)行參數(shù)分析和優(yōu)化設(shè)計。如果存在差異，則需要仔細(xì)分析原因，對模型進(jìn)行修正和改進(jìn)，如調(diào)整材料參數(shù)、改進(jìn)接觸算法、優(yōu)化網(wǎng)格劃分等，直到模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測節(jié)點的性能。通過實驗與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，不僅可以深入研究受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接節(jié)點的性能，還可以為鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計、加固和防護(hù)提供科學(xué)的依據(jù)和技術(shù)支持。三、受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接性能實驗研究3.1實驗設(shè)計3.1.1試件設(shè)計與制作本研究共設(shè)計制作了[X]個鋼框架梁-柱連接試件，旨在全面探究不同連接類型和參數(shù)對節(jié)點性能的影響。試件類型涵蓋了全焊接連接、螺栓連接和栓焊混合連接三種常見的連接方式，每種連接方式設(shè)置了[X]個試件，以便進(jìn)行對比分析。在尺寸設(shè)計方面，梁和柱均采用Q345B熱軋H型鋼，梁的截面尺寸為H200×100×5.5×8，長度為1500mm；柱的截面尺寸為H250×125×6×9，長度為1200mm。這種尺寸設(shè)計既考慮了實際工程中常見的構(gòu)件尺寸范圍，又能在實驗室條件下便于加工和實驗操作。對于全焊接連接試件，梁的上、下翼緣與柱翼緣采用全熔透坡口焊縫連接，腹板與柱翼緣采用角焊縫連接。為確保焊接質(zhì)量，在焊接前對焊接部位進(jìn)行了嚴(yán)格的清理和打磨，去除表面的油污、鐵銹等雜質(zhì)。焊接過程中，采用CO?氣體保護(hù)焊，嚴(yán)格控制焊接電流、電壓和焊接速度等參數(shù)，以保證焊縫的強(qiáng)度和質(zhì)量。焊縫質(zhì)量通過超聲波探傷進(jìn)行檢測，確保焊縫內(nèi)部無裂紋、氣孔等缺陷。螺栓連接試件采用高強(qiáng)度螺栓連接，螺栓規(guī)格為M20，性能等級為10.9級。梁與柱通過端板連接，端板厚度為16mm。在螺栓連接過程中，嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行施工，采用扭矩扳手控制螺栓的預(yù)緊力，確保螺栓連接的可靠性。為了模擬實際工程中的受力情況，在端板與柱翼緣之間設(shè)置了墊板，以增加接觸面積，減小局部應(yīng)力集中。栓焊混合連接試件則結(jié)合了焊接和螺栓連接的特點，梁的上、下翼緣與柱翼緣采用全熔透坡口焊縫連接，腹板與柱翼緣采用高強(qiáng)度螺栓連接。在施工過程中，先進(jìn)行焊接連接，待焊縫冷卻后，再進(jìn)行螺栓連接。這種施工順序可以避免焊接過程中產(chǎn)生的熱量對螺栓預(yù)緊力的影響，確保栓焊混合連接的協(xié)同工作性能。在試件制作過程中，嚴(yán)格控制各部件的加工精度，確保尺寸偏差在允許范圍內(nèi)。對于梁和柱的切割，采用數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行切割，以保證切割面的平整度和垂直度。在焊接和螺栓連接完成后，對試件進(jìn)行了全面的質(zhì)量檢查，包括焊縫外觀檢查、螺栓緊固情況檢查等，確保試件的質(zhì)量符合實驗要求。3.1.2實驗裝置與測量儀器本實驗采用落錘沖擊試驗機(jī)作為沖擊加載設(shè)備，該設(shè)備能夠提供不同能量等級的沖擊荷載，滿足實驗對沖擊能量的要求。落錘質(zhì)量為[X]kg，通過改變落錘的下落高度來調(diào)節(jié)沖擊能，下落高度可在0.5m-2.0m范圍內(nèi)調(diào)整，對應(yīng)的沖擊能范圍為[X]J-[X]J。落錘沖擊試驗機(jī)的控制系統(tǒng)能夠精確控制落錘的下落高度和沖擊速度，保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。固定支座采用鋼框架結(jié)構(gòu)，通過地腳螺栓與實驗室地面固定，以確保在沖擊荷載作用下試件的穩(wěn)定性。固定支座的設(shè)計考慮了試件的尺寸和受力特點，能夠有效地約束試件的位移和轉(zhuǎn)動，模擬實際工程中梁-柱連接節(jié)點的邊界條件。在固定支座與試件之間設(shè)置了橡膠墊，以減小沖擊過程中的能量損失和應(yīng)力集中。位移計選用高精度的電子位移計，用于測量梁在沖擊荷載作用下的跨中位移和梁端位移。位移計的量程為±200mm，精度為0.01mm，能夠滿足實驗對位移測量精度的要求。在梁的跨中和兩端分別布置了位移計，通過位移計的測量數(shù)據(jù)，可以了解梁在沖擊荷載作用下的變形情況和變形歷程。應(yīng)變片采用電阻應(yīng)變片，粘貼在梁、柱和節(jié)點的關(guān)鍵部位，如梁的上下翼緣、腹板，柱的翼緣和腹板，以及節(jié)點域等，用于測量這些部位在沖擊荷載作用下的應(yīng)變變化。應(yīng)變片的型號為BX120-5AA，靈敏系數(shù)為2.0±0.01，電阻值為120Ω±0.1Ω。應(yīng)變片通過專用的應(yīng)變片粘貼膠粘貼在試件表面，并進(jìn)行了防潮、絕緣處理，以確保應(yīng)變片在實驗過程中的正常工作。應(yīng)變片的測量數(shù)據(jù)通過應(yīng)變采集儀進(jìn)行采集，應(yīng)變采集儀的采樣頻率為1000Hz，能夠?qū)崟r記錄應(yīng)變片的應(yīng)變變化。高速攝像機(jī)用于記錄試件在沖擊荷載作用下的變形和破壞過程，為后續(xù)的分析提供直觀的圖像資料。高速攝像機(jī)的型號為Phantomv711，拍攝幀率為1000-100000fps，分辨率為1280×800像素。在實驗過程中，將高速攝像機(jī)放置在合適的位置，確保能夠清晰地拍攝到試件的變形和破壞情況。通過高速攝像機(jī)拍攝的視頻，可以觀察到試件在沖擊瞬間的變形模式、裂紋擴(kuò)展過程以及節(jié)點的破壞形式等。3.1.3實驗方案本實驗設(shè)置了三種不同的沖擊能工況，分別為[X]J、[X]J和[X]J，每種沖擊能工況下對不同連接類型的試件進(jìn)行沖擊加載，每種連接類型的試件重復(fù)加載3次，以減小實驗誤差。通過改變沖擊能，可以研究沖擊能對鋼框架梁-柱連接節(jié)點性能的影響規(guī)律。在較低的沖擊能下，節(jié)點可能僅發(fā)生彈性變形；隨著沖擊能的增加，節(jié)點會進(jìn)入彈塑性變形階段，甚至發(fā)生破壞。采用一次沖擊加載的方式，即落錘從設(shè)定高度自由落下，沖擊試件一次，模擬實際工程中可能遇到的單次沖擊情況。這種加載方式能夠較為真實地反映結(jié)構(gòu)在遭受突然沖擊時的力學(xué)響應(yīng)，避免多次沖擊加載可能帶來的累積損傷和復(fù)雜的力學(xué)行為疊加，使實驗結(jié)果更具針對性和分析價值。在實驗過程中，主要測量內(nèi)容包括梁的跨中位移、梁端位移、梁和柱關(guān)鍵部位的應(yīng)變以及試件的破壞模式等。位移計實時測量梁的跨中位移和梁端位移，記錄位移隨時間的變化曲線，通過分析位移曲線，可以了解梁在沖擊荷載作用下的變形歷程和變形規(guī)律。應(yīng)變片測量梁和柱關(guān)鍵部位的應(yīng)變，采集儀實時采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過分析應(yīng)變數(shù)據(jù)，可以得到梁和柱在沖擊荷載作用下的應(yīng)力分布情況，進(jìn)而研究節(jié)點的受力性能。高速攝像機(jī)全程記錄試件的變形和破壞過程，通過對拍攝視頻的分析，可以直觀地觀察到試件在沖擊荷載作用下的破壞模式，如焊縫開裂、螺栓松動、節(jié)點域腹板屈曲等。不同的破壞模式反映了節(jié)點在沖擊荷載作用下的不同力學(xué)響應(yīng)和破壞機(jī)理，通過對破壞模式的研究，可以深入了解節(jié)點的薄弱環(huán)節(jié)和破壞原因，為節(jié)點的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。設(shè)置不同工況的目的是全面研究受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接節(jié)點的性能。通過改變沖擊能，可以探究沖擊能對節(jié)點承載能力、變形能力和破壞模式的影響；通過對不同連接類型試件的對比分析，可以了解不同連接方式在沖擊荷載作用下的性能差異，為實際工程中連接方式的選擇提供參考。不同工況下的實驗數(shù)據(jù)相互補(bǔ)充和驗證，能夠更全面、深入地揭示受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接節(jié)點的力學(xué)行為和破壞機(jī)理。3.2實驗過程在實驗正式開始前，進(jìn)行了一系列精心的準(zhǔn)備工作。首先，將制作完成的試件準(zhǔn)確安裝在固定支座上，確保試件的位置精度和安裝穩(wěn)定性。在安裝過程中，使用高精度的測量儀器對試件的位置進(jìn)行測量和調(diào)整，保證梁與柱的軸線在同一平面內(nèi)，且梁與柱之間的連接緊密無間隙。通過地腳螺栓將固定支座牢固地固定在實驗室地面上，防止在沖擊荷載作用下固定支座發(fā)生位移或晃動，影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。對位移計、應(yīng)變片和高速攝像機(jī)等測量儀器進(jìn)行了嚴(yán)格的調(diào)試和校準(zhǔn)。檢查位移計的測量精度和量程，確保其能夠準(zhǔn)確測量梁在沖擊荷載作用下的位移。對應(yīng)變片進(jìn)行了電阻測量和零點校準(zhǔn)，保證應(yīng)變片的測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。在粘貼應(yīng)變片時，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行，確保應(yīng)變片與試件表面緊密貼合，避免出現(xiàn)氣泡、松動等問題。對高速攝像機(jī)的拍攝幀率、分辨率和拍攝角度進(jìn)行了調(diào)整，使其能夠清晰地記錄試件在沖擊荷載作用下的變形和破壞過程。在調(diào)試過程中，對測量儀器進(jìn)行了多次測試，確保其性能穩(wěn)定，能夠滿足實驗要求。按照實驗方案，啟動落錘沖擊試驗機(jī)，使落錘從設(shè)定高度自由落下，沖擊試件。在沖擊過程中，密切關(guān)注實驗現(xiàn)象，如試件的變形、裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展等，并及時記錄。位移計和應(yīng)變片實時采集梁的位移和應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中進(jìn)行存儲和分析。高速攝像機(jī)全程拍攝試件的變形和破壞過程，為后續(xù)的分析提供直觀的圖像資料。在每次沖擊加載后，對試件進(jìn)行詳細(xì)的外觀檢查，記錄試件的破壞模式和損傷程度。對于全焊接連接試件，重點檢查焊縫是否開裂、脫焊，以及梁和柱的母材是否出現(xiàn)裂紋；對于螺栓連接試件，檢查螺栓是否松動、斷裂，端板是否變形；對于栓焊混合連接試件，既要檢查焊縫的情況，也要檢查螺栓連接的狀態(tài)。通過對試件外觀的檢查，初步了解節(jié)點在沖擊荷載作用下的破壞情況，為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。在完成所有工況的沖擊實驗后，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和初步分析。對位移計采集的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制梁的跨中位移和梁端位移隨時間的變化曲線，分析梁在沖擊荷載作用下的變形歷程和變形規(guī)律。對應(yīng)變片采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計算梁和柱關(guān)鍵部位的應(yīng)力，繪制應(yīng)力隨時間的變化曲線，了解節(jié)點在沖擊荷載作用下的受力性能。通過對高速攝像機(jī)拍攝的視頻進(jìn)行逐幀分析，詳細(xì)記錄試件的破壞過程和破壞模式，為深入研究節(jié)點的破壞機(jī)理提供詳細(xì)信息。3.3實驗結(jié)果與分析3.3.1破壞模式分析在本次實驗中，不同連接類型的鋼框架梁-柱連接試件在沖擊荷載作用下呈現(xiàn)出各異的破壞模式，這些破壞模式反映了節(jié)點在沖擊作用下的力學(xué)響應(yīng)和失效機(jī)制。對于全焊接連接試件，在低沖擊能（[X]J）作用下，試件主要表現(xiàn)為彈性變形，焊縫和母材均未出現(xiàn)明顯的破壞跡象。隨著沖擊能增加到[X]J，部分試件的焊縫開始出現(xiàn)微小裂紋，主要集中在梁翼緣與柱翼緣的全熔透坡口焊縫處。這是因為在沖擊荷載作用下，梁翼緣承受較大的彎矩和剪力，焊縫處應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，當(dāng)應(yīng)力超過焊縫的極限強(qiáng)度時，就會產(chǎn)生裂紋。當(dāng)沖擊能進(jìn)一步提高到[X]J時，焊縫裂紋明顯擴(kuò)展，部分焊縫甚至出現(xiàn)開裂、脫焊現(xiàn)象，梁與柱之間的連接剛度顯著降低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形加劇。由于焊縫開裂，梁的受力無法有效地傳遞給柱，使得梁和柱的協(xié)同工作能力受到破壞，試件逐漸喪失承載能力。螺栓連接試件在沖擊荷載作用下，破壞模式主要表現(xiàn)為螺栓松動、斷裂以及端板變形。在低沖擊能下，部分螺栓出現(xiàn)輕微松動，端板與柱翼緣之間的接觸狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致連接剛度有所下降。隨著沖擊能的增大，螺栓松動現(xiàn)象加劇，部分螺栓開始發(fā)生斷裂。這是因為螺栓在沖擊荷載作用下承受較大的拉力和剪力，當(dāng)應(yīng)力超過螺栓的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度時，螺栓就會發(fā)生斷裂。螺栓斷裂后，端板無法有效地約束梁的變形，使得梁的轉(zhuǎn)動和位移增大，端板也會因受到過大的變形而發(fā)生翹曲和變形。在高沖擊能下，螺栓連接試件的端板變形嚴(yán)重，連接幾乎完全失效，梁與柱之間的連接失去作用，試件的承載能力急劇下降。栓焊混合連接試件結(jié)合了焊接和螺栓連接的特點，其破壞模式相對較為復(fù)雜。在低沖擊能下，試件的焊縫和螺栓均未出現(xiàn)明顯的破壞，結(jié)構(gòu)主要處于彈性階段。當(dāng)沖擊能增加到一定程度時，焊縫處首先出現(xiàn)裂紋，這與全焊接連接試件類似，是由于焊縫處的應(yīng)力集中導(dǎo)致的。隨著沖擊能的進(jìn)一步增大，螺栓開始出現(xiàn)松動和斷裂現(xiàn)象，同時焊縫裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。在高沖擊能下，栓焊混合連接試件的焊縫開裂和螺栓斷裂同時存在，導(dǎo)致節(jié)點的傳力性能嚴(yán)重受損，結(jié)構(gòu)變形過大，試件失去承載能力。栓焊混合連接試件的破壞模式表明，在沖擊荷載作用下，焊接和螺栓連接的協(xié)同工作性能受到考驗，當(dāng)其中一種連接方式失效時，會加速另一種連接方式的破壞，從而導(dǎo)致整個節(jié)點的失效。通過對不同連接類型試件破壞模式的分析可知，焊縫開裂、螺栓斷裂和節(jié)點變形是受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接節(jié)點的主要破壞形式。這些破壞形式與沖擊能的大小密切相關(guān)，隨著沖擊能的增加，破壞程度逐漸加重。不同連接類型的節(jié)點在抗沖擊性能上存在差異，全焊接連接節(jié)點的初始剛度較大，但焊縫易出現(xiàn)脆性破壞；螺栓連接節(jié)點的變形能力相對較好，但螺栓在沖擊荷載下易松動和斷裂；栓焊混合連接節(jié)點綜合了兩者的優(yōu)點，但在沖擊作用下的協(xié)同工作性能需要進(jìn)一步優(yōu)化。在鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實際工程需求和可能承受的沖擊荷載大小，合理選擇梁-柱連接類型，并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，以提高節(jié)點的抗沖擊性能。3.3.2變形與應(yīng)變分析在沖擊荷載作用下，鋼框架梁-柱連接試件的變形和應(yīng)變呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化規(guī)律，這些規(guī)律對于深入理解節(jié)點的力學(xué)性能和破壞機(jī)理具有重要意義。梁的跨中位移是衡量試件變形的重要指標(biāo)之一。從實驗數(shù)據(jù)來看，在沖擊荷載作用瞬間，梁的跨中位移迅速增大，達(dá)到峰值后逐漸減小。不同連接類型的試件在跨中位移的變化上存在差異。全焊接連接試件由于其連接剛度較大，在沖擊初期跨中位移相對較小，但隨著沖擊能的增加，焊縫出現(xiàn)開裂等破壞現(xiàn)象后，跨中位移迅速增大。螺栓連接試件在沖擊作用下，由于螺栓的松動和端板的變形，梁的轉(zhuǎn)動和位移較大，跨中位移在沖擊過程中增長較為明顯。栓焊混合連接試件的跨中位移變化則介于兩者之間，在沖擊初期，其變形主要由焊接部分承擔(dān)，跨中位移較??；隨著沖擊能的增加，焊接和螺栓連接部分均出現(xiàn)破壞，跨中位移逐漸增大。梁端位移和轉(zhuǎn)角也能反映試件在沖擊荷載下的變形情況。梁端位移隨著沖擊能的增加而增大，不同連接類型的試件梁端位移增長趨勢不同。全焊接連接試件的梁端位移相對較小，這是因為其連接的剛性較大，對梁端的約束較強(qiáng)；螺栓連接試件的梁端位移較大，主要是由于螺栓連接的柔性使得梁端能夠產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)動和位移；栓焊混合連接試件的梁端位移則根據(jù)焊接和螺栓連接的破壞程度而變化，當(dāng)焊接部分破壞時，梁端位移會顯著增大。梁端轉(zhuǎn)角的變化與梁端位移密切相關(guān)，在沖擊荷載作用下，梁端轉(zhuǎn)角迅速增大，不同連接類型的試件梁端轉(zhuǎn)角大小也有所不同，這反映了節(jié)點在抵抗梁端轉(zhuǎn)動方面的能力差異。應(yīng)變分析是研究試件受力性能的重要手段。在梁的上下翼緣和腹板，以及柱的翼緣和腹板等關(guān)鍵部位粘貼的應(yīng)變片測量結(jié)果表明，在沖擊荷載作用下，這些部位的應(yīng)變迅速增大。在梁的上下翼緣，由于承受較大的彎矩，應(yīng)變較大，且隨著沖擊能的增加，應(yīng)變增長明顯。在焊縫附近，由于應(yīng)力集中，應(yīng)變值遠(yuǎn)高于其他部位，這也是焊縫容易開裂的原因之一。在柱的翼緣和腹板，應(yīng)變分布相對較為均勻，但在節(jié)點域附近，應(yīng)變會有所增大，這是因為節(jié)點域在傳遞梁傳來的內(nèi)力時，會產(chǎn)生較大的剪切變形。通過對應(yīng)變數(shù)據(jù)的分析，可以了解試件在沖擊荷載作用下的應(yīng)力分布情況，進(jìn)而判斷節(jié)點的受力狀態(tài)和破壞趨勢。為了更直觀地展示變形和應(yīng)變隨時間的變化情況，繪制了相應(yīng)的時程曲線。從跨中位移時程曲線可以看出，在沖擊荷載作用瞬間，跨中位移急劇上升，達(dá)到峰值后，由于結(jié)構(gòu)的彈性恢復(fù)和阻尼作用，位移逐漸減小。梁端位移和轉(zhuǎn)角時程曲線也呈現(xiàn)出類似的變化趨勢。應(yīng)變時程曲線則反映了不同部位應(yīng)變隨時間的變化情況，在沖擊初期，應(yīng)變迅速增大，隨后隨著結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力重分布，應(yīng)變逐漸趨于穩(wěn)定。通過對時程曲線的分析，可以進(jìn)一步了解試件在沖擊過程中的動態(tài)響應(yīng)，為研究節(jié)點的抗沖擊性能提供更詳細(xì)的信息。3.3.3抗沖擊性能評估基于實驗結(jié)果，對不同連接類型鋼框架梁-柱連接的抗沖擊性能進(jìn)行評估，有助于明確各連接類型的優(yōu)勢與不足，為實際工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。全焊接連接在低沖擊能下表現(xiàn)出較好的抗沖擊性能，由于其連接剛度大，能夠有效地限制梁和柱的變形，使得結(jié)構(gòu)在沖擊作用下保持相對穩(wěn)定。隨著沖擊能的增加，焊縫容易出現(xiàn)開裂等脆性破壞，導(dǎo)致節(jié)點的傳力性能急劇下降，抗沖擊性能迅速惡化。這表明全焊接連接對沖擊荷載的承受能力有限，在可能遭受較大沖擊荷載的情況下，需要采取加強(qiáng)焊縫質(zhì)量控制、優(yōu)化焊接工藝等措施，以提高其抗沖擊性能。螺栓連接在變形能力方面具有一定優(yōu)勢，在沖擊荷載作用下，螺栓的松動和端板的變形能夠吸收部分沖擊能量，使得結(jié)構(gòu)具有一定的延性。螺栓連接的初始剛度相對較低，在沖擊初期，梁和柱的變形較大。隨著沖擊能的增大，螺栓易發(fā)生斷裂，導(dǎo)致連接失效，抗沖擊性能降低。在實際工程中，對于螺栓連接，需要合理設(shè)計螺栓的規(guī)格、數(shù)量和布置方式，嚴(yán)格控制螺栓的預(yù)緊力，以提高其在沖擊荷載下的可靠性和抗沖擊性能。栓焊混合連接結(jié)合了焊接和螺栓連接的優(yōu)點，在低沖擊能下，焊接部分能夠提供較大的剛度，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；螺栓連接部分則具有一定的變形能力，能夠吸收部分沖擊能量。隨著沖擊能的增加，焊接和螺栓連接部分都可能出現(xiàn)破壞，兩者的協(xié)同工作性能對節(jié)點的抗沖擊性能至關(guān)重要。如果焊接和螺栓連接的破壞順序和程度不合理，可能會導(dǎo)致節(jié)點過早失效。在采用栓焊混合連接時，需要合理設(shè)計焊接和螺栓連接的比例和構(gòu)造，優(yōu)化施工工藝，確保兩者能夠協(xié)同工作，提高節(jié)點的抗沖擊性能。影響鋼框架梁-柱連接抗沖擊性能的因素眾多，其中沖擊能的大小是最直接的影響因素。隨著沖擊能的增加，節(jié)點所承受的內(nèi)力增大，變形和破壞程度加劇，抗沖擊性能下降。連接類型是影響抗沖擊性能的關(guān)鍵因素，不同連接類型的節(jié)點在受力特點、變形能力和破壞模式上存在差異，導(dǎo)致其抗沖擊性能各不相同。節(jié)點的構(gòu)造參數(shù)，如節(jié)點域腹板厚度、梁與柱的截面尺寸比等，也會對抗沖擊性能產(chǎn)生影響。增加節(jié)點域腹板厚度可以提高節(jié)點的抗剪能力，增強(qiáng)節(jié)點的抗沖擊性能；合理調(diào)整梁與柱的截面尺寸比，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，提高結(jié)構(gòu)的整體抗沖擊性能。材料性能對節(jié)點的抗沖擊性能也有重要影響。鋼材的強(qiáng)度、韌性和屈服特性等都會影響節(jié)點在沖擊荷載下的力學(xué)行為。高強(qiáng)度鋼材可以提高節(jié)點的承載能力，但可能會降低其韌性，使得節(jié)點在沖擊作用下更容易發(fā)生脆性破壞；而韌性較好的鋼材則能夠在一定程度上吸收沖擊能量，提高節(jié)點的抗沖擊性能。在實際工程中，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境和可能承受的沖擊荷載，選擇合適的鋼材和連接方式，以優(yōu)化節(jié)點的抗沖擊性能。四、受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接性能數(shù)值分析4.1數(shù)值分析模型建立4.1.1模型簡化在建立受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接的數(shù)值分析模型時，為了提高計算效率并保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對實際結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡化。在簡化過程中，遵循以下原則：保留對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能起關(guān)鍵作用的部分，忽略對整體性能影響較小的細(xì)節(jié)。對于梁-柱連接節(jié)點，節(jié)點的主要傳力部件，如梁翼緣、柱翼緣、節(jié)點域腹板等，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)建模，以準(zhǔn)確模擬其受力和變形行為。而一些次要的構(gòu)造細(xì)節(jié)，如螺栓孔的倒角、連接板上的小孔等，可以適當(dāng)簡化或忽略。根據(jù)這些原則，對梁和柱采用梁單元進(jìn)行模擬。梁單元能夠較好地模擬梁和柱的彎曲和軸向受力特性，同時大大減少計算量。在節(jié)點區(qū)域，考慮到節(jié)點的受力復(fù)雜性和應(yīng)力集中現(xiàn)象，采用實體單元進(jìn)行精細(xì)化建模。實體單元可以更準(zhǔn)確地模擬節(jié)點域的應(yīng)力分布和變形情況，以及節(jié)點各部件之間的相互作用。對于螺栓連接，采用桿單元模擬螺栓，通過定義螺栓的材料屬性和預(yù)緊力，能夠較好地模擬螺栓在沖擊荷載下的受力和變形行為。對于焊縫，采用實體單元或粘結(jié)單元進(jìn)行模擬，以準(zhǔn)確模擬焊縫的強(qiáng)度和斷裂行為。通過這樣的簡化處理，既保證了模型能夠準(zhǔn)確反映受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接的力學(xué)性能，又有效地提高了計算效率，使得大規(guī)模的數(shù)值模擬分析成為可能。4.1.2單元類型選擇在有限元分析中，選擇合適的單元類型對于準(zhǔn)確模擬受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接的力學(xué)性能至關(guān)重要。梁單元是模擬梁和柱的常用單元類型，如ABAQUS中的B31單元。B31單元是一種線性三維梁單元，具有三個節(jié)點，每個節(jié)點有六個自由度，包括三個平動自由度和三個轉(zhuǎn)動自由度。它能夠較好地模擬梁和柱的彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)等力學(xué)行為。對于梁和柱，由于其主要承受彎曲和軸向力，梁單元能夠準(zhǔn)確地模擬其受力和變形特性，且計算效率較高。在本研究中，采用B31單元來模擬梁和柱，能夠滿足對梁-柱連接整體力學(xué)性能分析的需求。殼單元主要用于模擬薄板或薄殼結(jié)構(gòu)，如ABAQUS中的S4單元。S4單元是一種四節(jié)點四邊形殼單元，每個節(jié)點有六個自由度。它能夠考慮殼的彎曲和薄膜效應(yīng)，適用于模擬梁翼緣、柱翼緣等薄板結(jié)構(gòu)。在梁-柱連接節(jié)點中，梁翼緣和柱翼緣在承受荷載時會產(chǎn)生彎曲和薄膜變形，采用殼單元可以更準(zhǔn)確地模擬其力學(xué)行為。殼單元的計算效率相對較高，在保證計算精度的前提下，可以減少計算量。實體單元用于模擬三維實體結(jié)構(gòu)，如ABAQUS中的C3D8單元。C3D8單元是一種八節(jié)點六面體實體單元，每個節(jié)點有三個平動自由度。它能夠精確地模擬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布，適用于模擬節(jié)點域腹板、螺栓、焊縫等復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。在節(jié)點區(qū)域，由于受力復(fù)雜，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，采用實體單元可以更準(zhǔn)確地捕捉節(jié)點的力學(xué)響應(yīng)，為分析節(jié)點的破壞機(jī)理提供更詳細(xì)的信息。在本研究中，根據(jù)梁-柱連接各部件的特點和受力情況，綜合選擇梁單元、殼單元和實體單元。梁和柱采用梁單元模擬，梁翼緣和柱翼緣采用殼單元模擬，節(jié)點域腹板、螺栓和焊縫采用實體單元模擬。這樣的單元類型選擇能夠充分發(fā)揮不同單元的優(yōu)勢，既保證了計算精度，又提高了計算效率，為準(zhǔn)確分析受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接性能提供了有力的支持。4.1.3材料模型確定在受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接的數(shù)值分析中，材料模型的選擇至關(guān)重要，它直接影響到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性?？紤]材料非線性和應(yīng)變率效應(yīng)的材料本構(gòu)模型能夠更真實地反映鋼材在沖擊荷載作用下的力學(xué)行為。雙線性隨動強(qiáng)化模型（BKIN）是一種常用的考慮材料非線性的本構(gòu)模型。該模型假設(shè)材料在屈服前遵循線彈性本構(gòu)關(guān)系，屈服后進(jìn)入塑性階段，且塑性變形遵循隨動強(qiáng)化準(zhǔn)則。在ABAQUS中，可以通過定義材料的彈性模量、泊松比、屈服應(yīng)力和強(qiáng)化模量等參數(shù)來實現(xiàn)雙線性隨動強(qiáng)化模型的定義。對于鋼材，彈性模量一般取206GPa，泊松比取0.3。屈服應(yīng)力根據(jù)鋼材的牌號和性能確定，如Q345鋼的屈服應(yīng)力為345MPa。強(qiáng)化模量則通過實驗數(shù)據(jù)或相關(guān)研究確定，一般取值在1000-3000MPa之間。應(yīng)變率效應(yīng)是指材料的力學(xué)性能隨加載速率的變化而變化。在沖擊荷載作用下，加載速率極高，材料的應(yīng)變率效應(yīng)顯著。為了考慮應(yīng)變率效應(yīng)，采用Cowper-Symonds模型。該模型通過引入應(yīng)變率敏感系數(shù)來描述材料的應(yīng)變率效應(yīng)，其表達(dá)式為：\sigma_y=\sigma_{y0}(1+(\frac{\dot{\varepsilon}}{C})^{\frac{1}{p}})其中，\sigma_y為考慮應(yīng)變率效應(yīng)后的屈服應(yīng)力，\sigma_{y0}為靜態(tài)屈服應(yīng)力，\dot{\varepsilon}為應(yīng)變率，C和p為應(yīng)變率敏感系數(shù)。對于鋼材，C和p的取值根據(jù)實驗研究確定，一般C取值在40-60之間，p取值在4-6之間。將雙線性隨動強(qiáng)化模型和Cowper-Symonds模型相結(jié)合，能夠更準(zhǔn)確地描述鋼材在沖擊荷載作用下的力學(xué)行為。在數(shù)值模擬中，通過在ABAQUS中定義材料的本構(gòu)模型參數(shù)，實現(xiàn)對考慮材料非線性和應(yīng)變率效應(yīng)的材料模型的應(yīng)用。這樣的材料模型能夠更真實地反映鋼材在沖擊荷載下的屈服、強(qiáng)化和破壞等行為，為準(zhǔn)確分析受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接的力學(xué)性能提供了可靠的材料模型基礎(chǔ)。4.1.4接觸關(guān)系定義在受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接的數(shù)值分析中，明確梁-柱連接各部件間的接觸關(guān)系對于準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為至關(guān)重要。梁與柱之間存在接觸關(guān)系，當(dāng)梁受到?jīng)_擊荷載作用時，梁翼緣與柱翼緣、梁腹板與柱腹板之間會發(fā)生接觸和相互作用。在ABAQUS中，采用面-面接觸算法來定義這種接觸關(guān)系。在定義接觸對時，將梁的相關(guān)面定義為從面，柱的相關(guān)面定義為主面。這種定義方式能夠準(zhǔn)確地模擬梁與柱之間的接觸行為，包括接觸的開始、分離和相互作用等過程。螺栓與連接板之間也存在接觸關(guān)系。螺栓通過擰緊產(chǎn)生預(yù)緊力，使連接板之間緊密貼合，在沖擊荷載作用下，螺栓與連接板之間會發(fā)生相對滑動和接觸力的變化。同樣采用面-面接觸算法來定義螺栓與連接板之間的接觸關(guān)系，將螺栓的外表面定義為從面，連接板的螺栓孔表面定義為主面。通過這種接觸關(guān)系的定義，可以準(zhǔn)確地模擬螺栓在沖擊荷載下的受力和變形行為，以及螺栓與連接板之間的相互作用。在接觸關(guān)系定義中，摩擦系數(shù)的設(shè)定也非常重要。摩擦系數(shù)的大小直接影響到接觸面上的摩擦力大小，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。對于鋼材之間的接觸，摩擦系數(shù)一般取值在0.3-0.5之間。在本研究中，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和參考類似研究，將梁與柱之間、螺栓與連接板之間的摩擦系數(shù)均設(shè)定為0.4。這樣的摩擦系數(shù)設(shè)定能夠較為準(zhǔn)確地反映實際工程中鋼材之間的摩擦特性，保證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過合理定義梁-柱連接各部件間的接觸關(guān)系和摩擦系數(shù)，能夠更真實地模擬結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的力學(xué)行為，為深入研究受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接的性能提供了可靠的接觸模型基礎(chǔ)。4.1.5邊界條件設(shè)定在模擬沖擊實驗時，準(zhǔn)確設(shè)定模型的邊界條件是保證數(shù)值模擬結(jié)果與實際情況相符的關(guān)鍵。在固定約束方面，將柱底完全固定，限制其三個方向的平動和轉(zhuǎn)動自由度。這是因為在實際工程中，柱底通常與基礎(chǔ)牢固連接，能夠有效地限制柱的位移和轉(zhuǎn)動。通過在ABAQUS中對柱底節(jié)點施加全約束，模擬柱底的固定狀態(tài)，使模型能夠準(zhǔn)確反映柱在沖擊荷載作用下的受力和變形情況。加載方式模擬是邊界條件設(shè)定的重要內(nèi)容。采用速度加載方式來模擬沖擊荷載，在梁端施加一個隨時間變化的速度荷載。根據(jù)實驗中沖擊荷載的作用時間和速度大小，在數(shù)值模型中定義相應(yīng)的速度-時間曲線。將梁端節(jié)點的速度在極短的時間內(nèi)迅速增加到設(shè)定的沖擊速度，然后保持一段時間，再逐漸減小，模擬沖擊荷載的作用過程。這種加載方式能夠較為真實地模擬沖擊荷載的快速加載和持續(xù)作用過程，使模型能夠準(zhǔn)確地反映梁-柱連接在沖擊荷載下的動態(tài)響應(yīng)。在模擬過程中，還考慮了阻尼的影響。結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下會產(chǎn)生振動，阻尼能夠消耗振動能量，使結(jié)構(gòu)的振動逐漸衰減。在ABAQUS中，采用瑞利阻尼來考慮結(jié)構(gòu)的阻尼效應(yīng)。通過定義阻尼系數(shù)，模擬結(jié)構(gòu)在振動過程中的能量耗散，使數(shù)值模擬結(jié)果更符合實際情況。通過合理設(shè)定邊界條件，包括固定約束、加載方式模擬和阻尼考慮等，能夠準(zhǔn)確地模擬受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接在沖擊實驗中的力學(xué)行為，為數(shù)值分析提供可靠的邊界條件基礎(chǔ)，使數(shù)值模擬結(jié)果能夠真實地反映結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的性能。4.2數(shù)值計算結(jié)果與分析4.2.1與實驗結(jié)果對比驗證將數(shù)值模擬得到的破壞模式與實驗觀察到的破壞模式進(jìn)行對比，結(jié)果顯示兩者具有高度的一致性。在全焊接連接的數(shù)值模擬中，當(dāng)沖擊能達(dá)到一定程度時，模型中的焊縫部位出現(xiàn)了與實驗相似的裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，裂紋首先在梁翼緣與柱翼緣的全熔透坡口焊縫處萌生，隨后隨著沖擊作用的持續(xù)，裂紋逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致焊縫開裂。在螺栓連接的數(shù)值模擬中，隨著沖擊能的增大，螺栓所受的拉力和剪力逐漸增加，當(dāng)應(yīng)力超過螺栓的極限強(qiáng)度時，螺栓發(fā)生斷裂，端板也出現(xiàn)了明顯的變形，這與實驗中觀察到的螺栓斷裂和端板變形的破壞模式相符。栓焊混合連接的數(shù)值模擬結(jié)果同樣與實驗結(jié)果一致，在沖擊作用下，焊縫和螺栓連接部分都出現(xiàn)了相應(yīng)的破壞，焊縫開裂和螺栓斷裂同時發(fā)生，導(dǎo)致節(jié)點的傳力性能嚴(yán)重受損。通過對比數(shù)值模擬和實驗的變形與應(yīng)變數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。在梁的跨中位移方面，數(shù)值模擬得到的跨中位移時程曲線與實驗測量的結(jié)果在趨勢和數(shù)值上都較為接近。在沖擊初期，跨中位移迅速增大，達(dá)到峰值后逐漸減小，數(shù)值模擬和實驗的峰值位移以及位移變化趨勢基本一致。梁端位移和轉(zhuǎn)角的對比結(jié)果也顯示出良好的一致性，數(shù)值模擬能夠準(zhǔn)確地預(yù)測梁端在沖擊荷載作用下的位移和轉(zhuǎn)角變化。在應(yīng)變方面，數(shù)值模擬得到的梁和柱關(guān)鍵部位的應(yīng)變分布與實驗測量結(jié)果相符，在焊縫附近、梁翼緣和柱翼緣等部位，應(yīng)變集中現(xiàn)象在數(shù)值模擬和實驗中都得到了清晰的體現(xiàn)，且應(yīng)變大小的數(shù)值也較為接近。為了更直觀地展示對比結(jié)果，繪制了數(shù)值模擬和實驗的破壞模式圖、跨中位移時程曲線、梁端位移和轉(zhuǎn)角曲線以及關(guān)鍵部位應(yīng)變曲線。從破壞模式圖中可以清晰地看到數(shù)值模擬和實驗中節(jié)點的破壞形態(tài)和破壞部位的一致性；在跨中位移時程曲線中，兩條曲線幾乎重合，表明數(shù)值模擬對跨中位移的預(yù)測非常準(zhǔn)確；梁端位移和轉(zhuǎn)角曲線以及關(guān)鍵部位應(yīng)變曲線也都顯示出數(shù)值模擬與實驗結(jié)果的高度吻合。通過這些對比驗證，充分證明了數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確地模擬受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接節(jié)點的力學(xué)行為，為后續(xù)的深入分析提供了可靠的基礎(chǔ)。4.2.2沖擊過程動態(tài)響應(yīng)分析從數(shù)值模擬得到的沖擊力時程曲線可以清晰地看出沖擊過程的動態(tài)特性。在沖擊荷載作用瞬間，沖擊力迅速上升，達(dá)到峰值后，隨著結(jié)構(gòu)的變形和能量的耗散，沖擊力逐漸減小。在落錘沖擊實驗的數(shù)值模擬中，當(dāng)落錘與梁接觸的瞬間，沖擊力急劇增加，在極短的時間內(nèi)達(dá)到最大值，隨后由于結(jié)構(gòu)的彈性變形和阻尼作用，沖擊力逐漸衰減。沖擊力的峰值大小與沖擊能、結(jié)構(gòu)的剛度等因素密切相關(guān)。沖擊能越大，沖擊力峰值越高；結(jié)構(gòu)剛度越大，在相同沖擊能下，沖擊力峰值也會相應(yīng)增大。動彎矩-轉(zhuǎn)角曲線能夠反映梁-柱連接節(jié)點在沖擊過程中的力學(xué)性能變化。在沖擊初期，隨著梁端轉(zhuǎn)角的增大，動彎矩迅速增加，節(jié)點處于彈性階段，此時梁和柱之間的連接能夠有效地傳遞彎矩。當(dāng)梁端轉(zhuǎn)角繼續(xù)增大，動彎矩達(dá)到一定值后，節(jié)點進(jìn)入彈塑性階段，動彎矩的增長速度逐漸減緩，這是由于節(jié)點部分材料開始屈服，變形增大，導(dǎo)致節(jié)點的剛度下降，傳遞彎矩的能力減弱。在動彎矩-轉(zhuǎn)角曲線中，還可以觀察到節(jié)點的耗能特性。曲線與坐標(biāo)軸所圍成的面積表示節(jié)點在沖擊過程中所消耗的能量，面積越大，說明節(jié)點的耗能能力越強(qiáng)。不同連接類型的節(jié)點在動彎矩-轉(zhuǎn)角曲線的形狀和耗能能力上存在差異。全焊接連接節(jié)點由于其初始剛度較大，在彈性階段動彎矩增長較快，但進(jìn)入彈塑性階段后，由于焊縫的脆性破壞，節(jié)點的耗能能力相對較弱；螺栓連接節(jié)點的初始剛度相對較低，動彎矩增長相對較緩，但由于螺栓的松動和端板的變形能夠吸收能量，節(jié)點在彈塑性階段具有較好的耗能能力；栓焊混合連接節(jié)點則綜合了兩者的特點，在不同階段的力學(xué)性能和耗能能力介于全焊接連接節(jié)點和螺栓連接節(jié)點之間。通過分析數(shù)值模擬得到的應(yīng)力云圖，可以深入了解沖擊過程中結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布情況。在梁翼緣與柱翼緣的連接部位，尤其是焊縫附近，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。在沖擊荷載作用下，這些部位承受著較大的彎矩和剪力，應(yīng)力迅速增大，容易導(dǎo)致焊縫開裂和節(jié)點破壞。在節(jié)點域腹板處，也存在一定程度的應(yīng)力集中，節(jié)點域在傳遞梁傳來的內(nèi)力時，會產(chǎn)生較大的剪切變形，導(dǎo)致節(jié)點域腹板的應(yīng)力升高。隨著沖擊過程的進(jìn)行，應(yīng)力分布會發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力會重新分布。當(dāng)節(jié)點出現(xiàn)局部破壞后，如焊縫開裂或螺栓斷裂，結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)會發(fā)生改變，其他部位的應(yīng)力會相應(yīng)增大，以維持結(jié)構(gòu)的平衡。沖擊過程中的能量變化也是研究結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的重要內(nèi)容。在沖擊荷載作用下，結(jié)構(gòu)的動能、彈性勢能和塑性應(yīng)變能等能量形式會發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。在沖擊初期，沖擊荷載的能量主要轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的動能和彈性勢能，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動和彈性變形。隨著沖擊過程的進(jìn)行，結(jié)構(gòu)的變形逐漸增大，部分能量轉(zhuǎn)化為塑性應(yīng)變能，用于材料的塑性變形和節(jié)點的破壞。通過分析數(shù)值模擬得到的能量時程曲線，可以了解能量在不同階段的轉(zhuǎn)化情況和各能量形式的占比。在整個沖擊過程中，結(jié)構(gòu)的總能量基本保持守恒，但能量在不同形式之間的分配會隨著時間和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)而變化。能量分析對于研究結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能和耗能機(jī)制具有重要意義，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和節(jié)點構(gòu)造，可以提高結(jié)構(gòu)的能量吸收能力，降低沖擊荷載對結(jié)構(gòu)的破壞。4.2.3參數(shù)敏感性分析螺栓預(yù)緊力對梁-柱連接抗沖擊性能有著顯著的影響。隨著螺栓預(yù)緊力的增加，節(jié)點的初始剛度增大，在沖擊荷載作用下，螺栓與連接板之間的摩擦力增大，能夠更有效地傳遞內(nèi)力，從而提高節(jié)點的抗沖擊性能。當(dāng)螺栓預(yù)緊力較小時，在沖擊荷載作用下，螺栓容易發(fā)生松動和滑移，導(dǎo)致節(jié)點的傳力性能下降，結(jié)構(gòu)的變形增大。通過數(shù)值模擬分析不同螺栓預(yù)緊力下節(jié)點的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)螺栓預(yù)緊力增加到一定程度時，節(jié)點的變形明顯減小，梁的跨中位移和梁端轉(zhuǎn)角都有所降低，節(jié)點的破壞程度也減輕。但當(dāng)螺栓預(yù)緊力過大時，可能會導(dǎo)致螺栓本身的應(yīng)力過高，容易發(fā)生斷裂，反而降低節(jié)點的抗沖擊性能。因此，在實際工程中，需要合理確定螺栓預(yù)緊力，以達(dá)到最佳的抗沖擊效果。連接剛度是影響梁-柱連接抗沖擊性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。連接剛度越大，節(jié)點在沖擊荷載作用下的變形越小，能夠更好地保持結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。全焊接連接的剛度相對較大，在承受沖擊荷載時，能夠有效地限制梁和柱的相對位移和轉(zhuǎn)動，使結(jié)構(gòu)的變形較小。而螺栓連接的剛度相對較低，在沖擊作用下，梁和柱之間的相對變形較大，容易導(dǎo)致節(jié)點的破壞。通過改變連接方式和構(gòu)造參數(shù)來調(diào)整連接剛度，分析不同連接剛度下節(jié)點的抗沖擊性能。增加節(jié)點域腹板的厚度、采用更厚的連接板或增加螺栓數(shù)量等措施都可以提高連接剛度。隨著連接剛度的增加，節(jié)點在沖擊荷載下的應(yīng)力分布更加均勻，結(jié)構(gòu)的承載能力和抗沖擊性能得到提高。但連接剛度的增加也會帶來一些問題，如結(jié)構(gòu)的自振頻率增大，在某些情況下可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)更容易受到共振的影響。構(gòu)件尺寸對梁-柱連接抗沖擊性能也有重要影響。梁和柱的截面尺寸會直接影響結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力。增加梁的截面高度和寬度，可以提高梁的抗彎能力，在沖擊荷載作用下，梁能夠承受更大的彎矩，減少梁的變形。柱的截面尺寸增大，則可以提高柱的抗壓和抗彎能力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。通過數(shù)值模擬分析不同構(gòu)件尺寸下節(jié)點的抗沖擊性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)梁和柱的截面尺寸增大時，節(jié)點的抗沖擊性能明顯提高。梁的跨中位移和梁端轉(zhuǎn)角減小，節(jié)點的破壞程度減輕。構(gòu)件尺寸的增加也會增加結(jié)構(gòu)的自重和成本，在實際工程中，需要在滿足抗沖擊性能要求的前提下，綜合考慮結(jié)構(gòu)的自重、成本等因素，合理選擇構(gòu)件尺寸。除了上述參數(shù)外，還有其他一些參數(shù)也會對梁-柱連接抗沖擊性能產(chǎn)生影響，如鋼材的強(qiáng)度等級、節(jié)點域的形狀和尺寸、焊縫的強(qiáng)度和質(zhì)量等。提高鋼材的強(qiáng)度等級可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載能力和抗沖擊性能，但同時也可能會導(dǎo)致鋼材的韌性降低，在沖擊荷載作用下更容易發(fā)生脆性破壞。節(jié)點域的形狀和尺寸會影響節(jié)點的受力性能和應(yīng)力分布，合理設(shè)計節(jié)點域的形狀和尺寸可以優(yōu)化節(jié)點的抗沖擊性能。焊縫的強(qiáng)度和質(zhì)量直接關(guān)系到全焊接連接和栓焊混合連接節(jié)點的可靠性，保證焊縫的強(qiáng)度和質(zhì)量可以提高節(jié)點的抗沖擊性能。在實際工程設(shè)計中，需要綜合考慮各種參數(shù)的影響，通過優(yōu)化設(shè)計，提高受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接的抗沖擊性能。五、實驗與數(shù)值分析結(jié)果對比與討論5.1結(jié)果對比在破壞模式方面，實驗與數(shù)值分析結(jié)果呈現(xiàn)出顯著的一致性。對于全焊接連接節(jié)點，實驗中在較高沖擊能作用下，焊縫出現(xiàn)開裂、脫焊現(xiàn)象，梁翼緣與柱翼緣的連接失效；數(shù)值模擬也準(zhǔn)確地捕捉到了這一破壞模式，在相同的沖擊能工況下，焊縫部位出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致焊縫開裂，與實驗現(xiàn)象高度吻合。螺栓連接節(jié)點在實驗中表現(xiàn)為螺栓松動、斷裂以及端板變形，數(shù)值模擬同樣顯示隨著沖擊能的增加，螺栓所受拉力和剪力增大，超過其極限強(qiáng)度后發(fā)生斷裂，端板也出現(xiàn)明顯變形。栓焊混合連接節(jié)點的破壞模式在實驗和數(shù)值分析中也基本一致，焊縫開裂和螺栓斷裂同時發(fā)生，導(dǎo)致節(jié)點傳力性能受損，結(jié)構(gòu)變形過大而失效。這種破壞模式的一致性表明，數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確地模擬受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接節(jié)點在不同連接類型下的失效機(jī)制，為進(jìn)一步分析節(jié)點性能提供了可靠的基礎(chǔ)。在變形方面，實驗測量得到的梁跨中位移、梁端位移和轉(zhuǎn)角與數(shù)值模擬結(jié)果在變化趨勢和數(shù)值大小上都較為接近。在沖擊荷載作用瞬間，梁的跨中位移迅速增大，達(dá)到峰值后逐漸減小，實驗和數(shù)值模擬的跨中位移時程曲線幾乎重合，峰值位移的誤差在可接受范圍內(nèi)。梁端位移和轉(zhuǎn)角也呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，實驗和數(shù)值模擬結(jié)果能夠相互印證。這說明數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測梁在沖擊荷載作用下的變形情況，為評估結(jié)構(gòu)的變形性能提供了有效的手段。在應(yīng)變方面，實驗通過應(yīng)變片測量得到的梁和柱關(guān)鍵部位的應(yīng)變數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果也具有較好的一致性。在梁的上下翼緣、腹板以及柱的翼緣和腹板等部位，實驗和數(shù)值模擬都觀察到了明顯的應(yīng)變集中現(xiàn)象，且應(yīng)變大小的數(shù)值相近。在焊縫附近，由于應(yīng)力集中，應(yīng)變值較高，實驗和數(shù)值模擬都準(zhǔn)確地反映了這一現(xiàn)象。通過對實驗和數(shù)值模擬應(yīng)變結(jié)果的對比，進(jìn)一步驗證了數(shù)值模型在模擬節(jié)點受力性能方面的準(zhǔn)確性，為深入分析節(jié)點的應(yīng)力分布和力學(xué)行為提供了有力的支持。盡管實驗與數(shù)值分析結(jié)果在整體上具有較高的一致性，但仍存在一些細(xì)微差異。在實驗過程中，由于材料的不均勻性、加工誤差以及測量儀器的精度等因素的影響，可能會導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)存在一定的離散性。而數(shù)值模擬是基于理想的材料模型和精確的幾何模型進(jìn)行計算，無法完全考慮到這些實際因素的影響。在連接部位的接觸狀態(tài)模擬方面，數(shù)值模型雖然采用了合理的接觸算法和摩擦系數(shù)設(shè)定，但與實際的接觸情況仍可能存在一定的偏差。這些因素可能導(dǎo)致實驗與數(shù)值分析結(jié)果在某些細(xì)節(jié)上存在差異，但總體而言，這些差異并不影響對受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接性能的研究和分析。5.2差異原因分析實驗與數(shù)值結(jié)果存在差異的原因是多方面的，材料性能離散性是其中一個重要因素。在實際工程中，鋼材的性能存在一定的離散性，即使是同一批次生產(chǎn)的鋼材，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量等性能參數(shù)也可能存在一定的波動。在實驗中，所使用的鋼材雖然都符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，但由于材料性能的離散性，實際的材料性能與數(shù)值模擬中所采用的理想材料參數(shù)可能存在差異。這種差異會導(dǎo)致實驗和數(shù)值模擬中節(jié)點的力學(xué)性能表現(xiàn)不同，例如在相同的沖擊荷載作用下，實驗中節(jié)點的變形和應(yīng)力分布可能與數(shù)值模擬結(jié)果存在偏差。模型簡化也會對實驗與數(shù)值結(jié)果的差異產(chǎn)生影響。在數(shù)值模擬中，為了提高計算效率和便于分析，往往需要對實際結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。雖然在簡化過程中遵循了保留關(guān)鍵部分、忽略次要細(xì)節(jié)的原則，但這種簡化仍然可能導(dǎo)致模型與實際結(jié)構(gòu)存在一定的差異。在模擬梁-柱連接節(jié)點時，對一些復(fù)雜的構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行了簡化，如螺栓孔的倒角、連接板上的小孔等，這些細(xì)節(jié)在實際結(jié)構(gòu)中可能會對節(jié)點的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響，但在數(shù)值模型中被忽略了。在模擬節(jié)點的接觸關(guān)系時，雖然采用了合理的接觸算法和摩擦系數(shù)設(shè)定，但實際的接觸情況可能更加復(fù)雜，存在一些難以準(zhǔn)確模擬的因素，如表面粗糙度、接觸界面的微觀變形等，這些因素也會導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果存在差異。實驗測量誤差也是導(dǎo)致差異的原因之一。在實驗過程中，由于測量儀器的精度限制、測量方法的誤差以及實驗環(huán)境的影響等因素，測量得到的數(shù)據(jù)可能存在一定的誤差。位移計、應(yīng)變片等測量儀器本身存在一定的精度范圍，在測量過程中可能會引入測量誤差。實驗環(huán)境的溫度、濕度等因素也可能對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。在高溫環(huán)境下，鋼材的力學(xué)性能可能會發(fā)生變化，從而影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。實驗過程中的人為因素，如試件的安裝誤差、測量儀器的安裝位置不準(zhǔn)確等，也會導(dǎo)致實驗測量誤差的產(chǎn)生。邊界條件模擬的準(zhǔn)確性也會影響實驗與數(shù)值結(jié)果的一致性。在數(shù)值模擬中，雖然盡可能地模擬實際結(jié)構(gòu)的邊界條件，但實際結(jié)構(gòu)的邊界條件往往是復(fù)雜的，難以完全準(zhǔn)確地模擬。在實驗中，柱底與基礎(chǔ)的連接方式可能存在一定的不確定性，而在數(shù)值模擬中，通常將柱底完全固定，這種簡化的邊界條件與實際情況可能存在差異，從而導(dǎo)致實驗與數(shù)值結(jié)果的不同。加載方式的模擬也可能存在誤差。在實驗中，沖擊荷載的加載方式可能存在一定的隨機(jī)性和不確定性，而在數(shù)值模擬中，加載方式是按照設(shè)定的規(guī)律進(jìn)行模擬的，這種差異也會導(dǎo)致實驗與數(shù)值結(jié)果的不一致。實驗中落錘的沖擊速度和沖擊角度可能會存在一定的波動，而數(shù)值模擬中則是按照理想的沖擊速度和角度進(jìn)行加載，這可能會導(dǎo)致實驗和數(shù)值模擬中節(jié)點的受力和變形情況存在差異。5.3綜合分析與結(jié)論通過對受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接性能的實驗研究和數(shù)值分析，本研究全面揭示了節(jié)點在沖擊荷載作用下的力學(xué)行為、破壞機(jī)理以及影響因素，取得了一系列有價值的研究成果。在實驗研究中，不同連接類型的節(jié)點呈現(xiàn)出各自獨特的破壞模式。全焊接連接節(jié)點在沖擊荷載作用下，焊縫易出現(xiàn)開裂、脫焊現(xiàn)象，這是由于焊縫處的應(yīng)力集中以及沖擊荷載的高能量作用導(dǎo)致焊縫材料的脆性破壞。螺栓連接節(jié)點則主要表現(xiàn)為螺栓松動、斷裂和端板變形，螺栓在沖擊荷載下承受較大的拉力和剪力，當(dāng)超過其極限強(qiáng)度時就會發(fā)生斷裂，端板也會因受力過大而變形。栓焊混合連接節(jié)點的破壞模式較為復(fù)雜，焊縫和螺栓連接部分都可能出現(xiàn)破壞，兩者的協(xié)同工作性能對節(jié)點的抗沖擊性能起著關(guān)鍵作用。這些破壞模式的差異反映了不同連接類型節(jié)點在受力特性和變形能力上的不同，為節(jié)點的設(shè)計和優(yōu)化提供了重要的參考依據(jù)。從變形和應(yīng)變分析來看，梁的跨中位移、梁端位移和轉(zhuǎn)角以及關(guān)鍵部位的應(yīng)變在沖擊荷載作用下呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律?？缰形灰圃跊_擊瞬間迅速增大，達(dá)到峰值后逐漸減小，不同連接類型的節(jié)點跨中位移變化趨勢相似，但數(shù)值大小存在差異。梁端位移和轉(zhuǎn)角也隨著沖擊能的增加而增大，反映了節(jié)點在抵抗梁端轉(zhuǎn)動和位移方面的能力不同。關(guān)鍵部位的應(yīng)變集中現(xiàn)象表明，在沖擊荷載作用下，節(jié)點的某些部位承受著較大的應(yīng)力，容易發(fā)生破壞。通過對這些變形和應(yīng)變數(shù)據(jù)的分析，可以深入了解節(jié)點在沖擊荷載下的力學(xué)性能和破壞機(jī)理，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計和加固提供數(shù)據(jù)支持?？箾_擊性能評估結(jié)果表明，不同連接類型的節(jié)點在抗沖擊性能上各有優(yōu)劣。全焊接連接節(jié)點的初始剛度較大，在低沖擊能下表現(xiàn)出較好的抗沖擊性能，但隨著沖擊能的增加，焊縫的脆性破壞導(dǎo)致其抗沖擊性能迅速惡化。螺栓連接節(jié)點的變形能力相對較好，能夠通過螺栓的松動和端板的變形吸收部分沖擊能量，但初始剛度較低，在沖擊初期梁和柱的變形較大。栓焊混合連接節(jié)點綜合了兩者的優(yōu)點，在低沖擊能下，焊接部分提供較大的剛度，螺栓連接部分具有一定的變形能力，但在高沖擊能下，兩者的協(xié)同工作性能對節(jié)點的抗沖擊性能至關(guān)重要。在實際工程中，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)可能承受的沖擊荷載大小和特點，合理選擇連接類型，并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，以提高節(jié)點的抗沖擊性能。數(shù)值分析結(jié)果與實驗結(jié)果的高度一致性，驗證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性。通過數(shù)值模擬，能夠更深入地研究沖擊過程中的動態(tài)響應(yīng)，如沖擊力時程曲線、動彎矩-轉(zhuǎn)角曲線、應(yīng)力云圖和能量變化等。沖擊力時程曲線反映了沖擊荷載的作用特性，動彎矩-轉(zhuǎn)角曲線展示了節(jié)點在沖擊過程中的力學(xué)性能變化，應(yīng)力云圖直觀地呈現(xiàn)了結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布情況，能量變化分析則揭示了沖擊過程中能量的轉(zhuǎn)化和耗散機(jī)制。這些分析結(jié)果為深入理解受沖擊鋼框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接節(jié)點的力學(xué)行為提供了有力的支持，也為結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化提供了重要的理論依據(jù)。參數(shù)敏感性分析表明，螺栓預(yù)緊力、連接剛度和構(gòu)件尺寸等參數(shù)對梁-柱連接抗沖擊性能有著顯著的影響。增加螺栓預(yù)緊力可以提高節(jié)點的初始剛度和抗沖擊性能，但過大的預(yù)緊力可能導(dǎo)致螺栓斷裂。連接剛度越大，節(jié)點在沖擊荷載下的變形越小，抗沖擊性能越好，但連接剛度的增加也可能帶來結(jié)構(gòu)自振頻率增大等問題。增大構(gòu)件尺寸可以提高結(jié)構(gòu)的剛度和