钢框架梁柱四角钢连接在循环荷载作用下的破坏机理及抗震设计对策

论文摘要

传统观点认为,梁柱焊接刚性连接具有较好的抗震性能,因此在工程中得到了广泛地应用,但1994年的Northridge地震和1995年的阪神地震改变了这种观点,这两次地震也引起了工程技术人员对半刚性连接的再审视。采用顶底角钢、腹板双角钢的四角钢连接是一种具有一定柔性的连接形式,当框架结构采用这种节点时,可以增加结构的阻尼,延长结构自振周期,从而降低震害,半刚性连接的钢框架—剪力墙结构体系是抗震结构的理想选择之一。由于四角钢连接的研究资料相对较少,人们对其受力性能和破坏机理的认识还远远不足,为了避免和减小地震灾害,分析梁柱四角钢连接在循环荷载作用下的破坏机理并提出抗震设计对策和建议,具有重要的理论和工程意义。对于四角钢的理论分析,目前国内外的研究主要局限在单向加载有限元分析,本文首次采用三维非线性[包括材料、几何与状态非线性]有限元对四角钢连接进行了循环加载分析,角钢与梁柱翼缘及梁腹板间、螺栓头(帽)与相邻板件间,螺栓杆与孔壁间都设了反映边界状态的接触单元。在将有限元计算结果与试验结果对比验证后,本文系统地分析了15个系列共50多个有限元试件。主要研究了柱的轴压比,连接抗滑移系数,螺栓预拉力,梁端剪力,梁柱截面尺寸,螺栓的级别、大小、数量和排列方式、角钢尺寸,材性等对连接滞回性能的影响。最后依据试验和理论分析结果提出了钢框架梁柱四角钢连接的抗震设计对策和建议,弥补了国内的研究空白。本文系统、全面地分析了四角钢连接在循环荷载作用下的破坏机理,为修订国家相关规范、指导工程设计提供了依据,也为进一步研究采用四角钢连接的整体框架结构在地震作用下的反应奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 课题背景
• 1.2 梁柱连接的分类及其受力特点
• 1.2.1 刚性连接
• 1.2.2 半刚性连接
• 1.2.3 柔性连接
• 1.3 国内梁柱连接节点的研究成果
• 1.4 国外梁柱连接节点的研究成果
• 1.4.1 国外梁柱刚性节点的研究
• 1.4.2 国外梁柱半刚性节点的研究
• 1.5 各国规范对钢框架梁柱连接的设计规定
• 1.6 本文的工作
• 1.6.1 研究中存在的主要问题
• 1.6.2 本文的研究内容及研究方法
• 参考文献
• 2 试验数据的选取
• 2.1 武汉理工大学的试验
• 2.1.1 材性实验
• 2.1.2 试件设计及试验装置
• 2.2 SUPERIOR T（?）CNICO的试验
• 2.2.1 试件
• 2.2.2 试验结果
• 参考文献
• 3 非线性有限元分析
• 3.1 三维非线性有限元理论基础
• 3.1.1 有限变形的U.L.格式
• 3.1.2 弹塑性强化本构关系
• 3.2 接触问题
• 3.2.1 接触问题的基本方程
• 3.2.2 接触问题的各种数值算法
• 3.3 有限元模型及程序验证
• 3.3.1 板壳弹塑性屈曲及后屈曲路径
• 3.3.2 接触问题的模拟
• 3.3.3 武汉工业大学JD2—2试件
• 3.3.4 Superior T（?）cnico的BCC9试件
• 参考文献
• 4 梁柱四角钢连接滞回性能的有限元分析
• 4.1 梁柱四角钢连接试件的设计
• 4.1.1 基本试件的选取
• 4.1.2 参数试件的设计
• 4.2 ANSYS有限元建模基本过程
• 4.2.1 螺栓预拉力单元的定义
• 4.2.2 接触单元的定义
• 4.2.3 约束信息
• 4.2.4 求解设定
• 4.2.5 结果的后处理
• 4.2.6 单元划分
• 4.2.7 材料参数的选取
• 4.2.8 加载制度
• 4.2.9 破坏准则
• 4.3 有限元计算结果
• 4.3.1 BASE试件
• 4.3.2 PC系列试件
• 4.3.3 MPC系列试件
• 4.3.4 PRT系列试件
• 4.3.5 SPAN系列试件
• 4.3.6 TA系列试件
• 4.3.7 GA系列试件
• 4.3.8 BG系列试件
• 4.3.9 WA系列试件
• 4.3.10 TCF系列试件
• 4.3.11 WCF系列试件
• 4.3.12 TCW系列试件
• 4.3.13 HB系列试件
• 4.3.14 TBF系列试件
• 4.3.15 WB系列试件
• 4.3.16 AM系列试件
• 4.4 对计算结果的分析
• 4.4.1 四角钢梁柱连接的变形
• 4.4.2 四角钢梁柱连接的应力
• 4.4.3 顶部角钢内圆角附近区域的应力和应变分析
• 4.4.4 腹板角钢内圆角附近区域的应力和应变分析
• 4.4.5 柱翼缘连接角钢螺栓线处的应力和应变分析
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 5 抗震设计对策及建议
• 5.1 四角钢连接的节点设计
• 5.1.1 腹板双角钢与柱翼缘和梁腹板的连接计算
• 5.1.2 顶（底）角钢与柱翼缘和梁翼缘的连接计算
• 5.1.3 梁柱节点域的计算
• 5.1.4 柱腹板加劲肋
• 5.1.5 其它
• 5.1.6 算例
• 5.2 四角钢连接节点的弯矩转角关系
• 5.2.1 节点初始转动刚度的确定
• 5.2.2 四角钢连接的极限弯矩的确定
• 5.2.3 强化阶段节点转动刚度的确定
• 5.2.4 弯矩转角关系验证
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 6 结论和建议
• 6.1 本文试验研究和有限元分析结论
• 6.2 抗震对策和设计建议
• 6.3 后继工作
• 致谢
• 攻读博士学位期间论文发表及科研情况