钢框架梁柱腹板连接在循环荷载作用下的滞回性能及抗震设计对策

钢框架梁柱腹板连接在循环荷载作用下的滞回性能及抗震设计对策

论文题目: 钢框架梁柱腹板连接在循环荷载作用下的滞回性能及抗震设计对策

论文类型: 博士论文

论文专业: 结构工程

作者: 郭秉山

导师: 顾强

关键词: 钢框架梁柱腹板连接,非线性有限元,循环荷载,滞回性能,破坏机理,抗震设计

文献来源: 西安建筑科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 在Northridge和阪神地震中钢结构框架梁柱连接发生了大量破坏,此后世界范围内对梁柱连接的受力性能展开了广泛研究,但对钢框架梁柱腹板连接抗震性能的研究甚少。钢结构框架一般纵横两个方向均为框架,梁柱腹板连接非常普遍,构造和受力性能与翼缘连接不同,而且理论分析和设计更为困难,研究钢框架梁柱腹板连接在循环荷载作用下的受力性能和破坏机理并提出抗震设计对策,具有重要的理论意义和重大的工程应用价值。 本文考虑大变形、大应变、螺栓预拉力及螺栓处的接触滑移、材料的强化和软化,采用Mises屈服准则、双重非线性空间单元,建立的非线性有限元模型能够比较精确地模拟梁柱腹板连接在循环荷载作用下的受力性能。在用本文确立的材料、几何和状态三重非线性有限元方法计算的结果和试验结果验证后,对18个系列59个梁柱腹板连接试件在单调荷载作用下的受力性能和循环荷载作用下的滞回性能进行了非线性有限元模拟和分析研究,这在国内外尚属首次。从滞回曲线可知,大多数试件的塑性转角在0.024~0.028rad之间。根据计算结果,对梁柱腹板连接的应力分布、对接焊缝在循环荷载作用下的破坏机理进行了分析研究,表明:梁翼缘对接焊缝在强震中脆断的根本原因是两端存在着严重的应力集中且在大位移下处于三向同号应力状态;剪切板边缘处的梁截面是受连接影响最大且是梁受力最大的截面;由于梁腹板切角造成几何外形不连续等因素使得连接附近梁截面应力分布与经典梁理论误差较大,剪切板和连接附近梁腹板上的剪应力沿高度呈反向抛物线分布,两端存在严重的应力集中且处于复杂应力状态。本文系统地研究了柱翼缘厚度、柱翼缘宽度、梁截面高度、梁翼缘厚度、柱轴向压力、高强螺栓的预拉力、梁的跨度、钢材的屈服强度、焊缝的屈服强度、梁翼缘连接板的厚度和伸出长度、柱设置加劲板肋的情况、焊接衬板的处理方法等参数的变化对梁柱腹板连接受力性能影响,并对中间节点、弱梁连接进行了计算和分析,得到了一系列重要结论,给出了剪切板的强度计算公式、柱轴压比与连接承载力的关系式等,填补了国内外在这个领域研究的空白。根据研究结果,提出了改善钢框架梁柱腹板连接抗震性能的计算和构造设计建议。 本文所建立的有限元模型考虑问题全面、精度较高,能够真实地模拟梁柱腹板连接在低周循环荷载(地震)作用下的受力行为。本文研究的内容系统、广泛,结论及建议对工程设计和规范修订具有重要的参考价值,为进一步研究钢框架梁柱腹板刚性连接以及钢框架整体的抗震性能打下了良好的基础。

论文目录:

1 绪论

1.1 引言

1.2 梁柱腹板连接的类型和设计规定

1.2.1 梁柱腹板连接构造方式

1.2.2 梁柱腹板连接刚性节点的设计规定

1.3 国内外梁柱腹板连接研究状况

1.3.1 梁柱腹板连接的试验研究

1.3.2 梁柱腹板连接的有限元分析

1.3.3 梁柱连接中接触问题的研究状况

1.3.4 国内外最新研究状况

1.4 本文的研究工作

1.4.1 梁柱腹板连接研究存在的问题

1.4.2 梁柱腹板连接的研究趋势

1.4.3 本文的主要研究内容及研究方法

参考文献

2 梁柱腹板连接有限元模型的建立及计算程序的选取

2.1 有限元方程的建立

2.1.1 弹塑性强化本构关系

2.1.2 几何非线性有限元方程

2.1.3 Kirchhoff应力与Cauchy应力的转换

2.1.4 接触问题的处理

2.1.5 有限元方程的求解

2.2 有限元程序的选取及有限元模拟的实现

2.2.1 有限元程序的选取

2.2.2 有限元模拟在程序中的实现

参考文献

3 试验数据的选取及有限元方法的验证

3.1 单调加载试验验证

3.1.1 试验资料

3.1.2 有限元计算结果

3.1.3 结果比较

3.2 美国加州大学的循环加载试验验证

3.2.1 试验试件的选择

3.2.2 试验结果

3.2.3 循环加载的有限元结果及比较

3.3 弱梁连接循环加载试验验证

参考文献

4 梁柱腹板连接循环荷载作用下滞回性能的有限元模拟

4.1 梁柱腹扳连接有限元模拟试件设计

4.1.1 试件材料参数的选取

4.1.2 试件参数设计

4.1.3 试件单元划分及求解控制

4.2 梁柱腹板连接循环荷载作用下的有限元计算结果及分析

4.2.1 BASE试件

4.2.2 TCF系列试件

4.2.3 WCF系列试件

4.2.4 DB系列试件

4.2.5 TBF系列试件

4.2.6 NC系列试件

4.2.7 CPL系列试件

4.2.8 FSCP系列试件

4.2.9 PT系列试件

4.2.10 UF系列试件

4.2.11 STRM系列试件

4.2.12 STRW系列试件

4.2.13 LB系列试件

4.2.14 CPT系列试件

4.2.15 HCW系列试件

4.2.16 SBW系列试件

4.2.17 DC系列试件

4.2.18 RBS系列试件

4.3 本章小结

参考文献

5 梁柱腹板连接的受力性能分析

5.1 梁柱腹板连接节点的应力分析

5.1.1 翼缘对接焊缝的应力分析

5.1.2 剪切板(柱的竖向加劲肋)的应力分布

5.1.3 梁长度方向不同截面的应力分布

5.1.4 腹板扇形切角处梁截面的应力分布

5.1.5 节点域的柱翼缘应力分析

5.1.6 连接板的应力分布

5.2 各参数对梁柱腹板连接受力性能的影响分析

5.2.1 柱翼缘厚度(节点域厚度)的影响

5.2.2 柱翼缘宽度的影响

5.2.3 梁高度的影响

5.2.4 梁翼缘厚度的影响

5.2.5 柱轴压比的影响

5.2.6 连接板(柱横向加劲肋)伸出长度的影响

5.2.7 加劲肋的影响

5.2.8 高强螺栓预拉力的影响

5.2.9 构件接触面处理方法的影响

5.2.10 钢材强度的影响

5.2.11 焊缝强度的影响

5.2.12 梁跨度的影响

5.2.13 连接板厚度的影响

5.2.14 连接处梁腹板切角形状的影响

5.2.15 焊接衬板处理方法的影响

5.2.16 强轴方向弯曲的影响

5.3 弱梁连接的受力性能

5.4 本章小节

参考文献

6 结论和抗震设计建议

6.1 结论

6.2 设计建议

6.3 后继工作

致谢

攻读博士学位期间论文发表情况

附录 钢结构框架试设计(图)

发布时间: 2005-07-19

参考文献

  • [1].钢框架梁柱栓焊刚性连接的滞回性能、破坏机理及抗震设计建议[D]. 王万祯.西安建筑科技大学2003

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钢框架梁柱腹板连接在循环荷载作用下的滞回性能及抗震设计对策
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