半刚性自复位钢框架的数值模拟和分析

论文摘要

在北岭地震中,我们发现在地震中发生破坏的节点都是在很低的塑性水平或弹性状态下出现了脆性断裂现象。而基于防止节点焊缝破坏的改进方法大都存在强震后产生较大残余变形的问题,而且由于塑性铰均出现在梁中,构件的破坏往往给结构带来安全隐患,且不易于修复。因此急需一种新型半刚性节点,使框架既能消除节点断裂破坏隐患,又能消除结构残余变形。本文首先通过有限元模拟,分析了节点半刚性对结构性能的改善作用,将其与传统框架进行比较分析;再将自复位性能引入这种半刚性节点中,这种节点采用了可以在轴向压缩过程中通过屈服达到耗能效果的耗能构件,以及平行于梁两侧设置的,为结构提供自复位能力的后张拉钢筋构件。这种后张拉耗能节点用传统材料及其性能,将梁柱的非弹性变形最小化,将大量的破坏能量集中到易于替换的耗能构件上,并且通过自复位性能使结构避免出现残余变形。如果设计得当,这种后张拉耗能节点可以与传统焊接节点拥有相同的强度和刚度。接下来本文对两个3层4跨的、分别具有自复位耗能节点和传统焊接节点的框架进行非线性时程分析,对它们在50年超越概率为10%的地震波下的结构反应进行研究,最后对它们进行比较和评价。通过分析结构我们知道,在往复荷载作用下,后张拉自复位框架的节点耗能由耗能构件(如角钢)的非弹性变形提供,而后张拉钢筋构件和梁柱均保持弹性。相较于传统焊接钢框架,有如下主要优点:(1)拥有自复位能力,从而大大减小了在地震后的残余变形;(2)初始刚度较大,与焊接节点相似;(3)地震下破坏集中在节点的耗能构件处,地震后可以较方便的通过更换节点处的耗能构件来修复节点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 各国钢结构规范中梁柱连接的设计和计算方法
• 1.2.1 美国梁柱连接设计和计算规范
• 1.2.2 欧洲连接设计和计算规范
• 1.2.3 我国钢结构连接设计和计算规范
• 1.3 中美欧三本规范中节点计算的分析比较
• 1.3.1 关于端面接触承压时的焊缝计算问题
• 1.3.2 关于角焊缝端部的绕角焊问题
• 1.3.3 角焊缝限值的比较
• 1.3.4 角焊缝的计算
• 1.3.5 高强螺栓承压型连接
• 1.3.6 高强螺栓摩擦型连接
• 1.3.7 结论
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 焊接刚性钢框架介绍和抗震性能分析
• 2.1 北岭地震后刚性钢框架梁柱连接研究
• 2.2 梁柱焊接节点的破坏原因分析
• 2.3 焊接刚性钢框架节点的发展方向
• 第三章 刚性和半刚性钢框架滞回性能研究
• 3.1 有限元分析介绍
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 非线性分析介绍
• 3.1.3 半刚性连接梁类型介绍
• 3.1.4 本章使用的单元类型介绍
• 3.2 有限元模型
• 3.2.1 材料性质
• 3.2.2 边界约束及加载
• 3.2.3 半刚性节点在整个框架中的实现方法
• 3.2.4 求解器的选择
• 3.2.5 收敛准则
• 3.3 循环荷载时框架的有限元分析
• 3.3.1 循环荷载下不同滞回环初始加载刚度的实现
• 3.3.2 约束条件和加载情况
• 3.3.3 循环荷载作用下的骨架曲线
• 3.3.4 有限元模型的框架位移延性系数
• 3.3.5 有限元模型框架的耗能指标
• 3.4 本章小结
• 第四章 自复位框架节点和后张拉自复位框架
• 4.1 预应力钢结构节点及框架的研究意义
• 4.2 自复位后张拉耗能节点及框架
• 4.2.1 自复位后张拉耗能节点的组成
• 4.2.2 后张拉耗能节点的滞回性能
• 4.2.3 后张拉耗能框架的组装
• 4.3 后张拉耗能节点的建模方法及比较
• 4.3.1 两种后张拉耗能节点的建模方法
• 4.3.2 用于节点建模分析的自复位框架模型
• 4.3.3 两种节点模型的比较
• 4.3.4 自复位框架节点建模的评价与总结
• 4.4 半刚性自复位耗能框架性能研究
• 4.4.1 框架模型的建立
• 4.4.2 动力时程分析法概述
• 4.4.3 地震波的选取
• 4.4.3 焊接钢框架与预张拉自复位框架地震反应的比较
• 4.5 本章小结
• 结论
• 研究成果
• 展望
• 参考文献
• 致谢