冷弯薄壁型钢结构屋架受力性能及设计方法研究

论文摘要

本文在查阅相关文献的基础上,采用试验和非线性有限元分析两种方法,对低层冷弯薄壁型钢结构屋架的受力性能以及设计方法进行了研究。文中对两种不同布置形式的屋架进行了试验研究,详细介绍了试验装置、试验方法、试件的破坏过程以及对试验数据的分析处理。通过分析发现,桁架的破坏主要是支座处的破坏,杆件并未发生屈曲,说明桁架的破坏不是强度破坏,而是节点连接起控制作用。有限元分析部分对两个试件进行了模拟,同时考虑了材料非线性和几何非线性问题。采用塑性壳单元模拟桁架的弦杆和腹杆,桁架的弦杆与腹杆的自攻螺钉连接处采用耦合的方法处理,方程组求解方法由ANSYS程序自动选择。有限元分析结果与试验值吻合良好,从而证明了有限元分析方法的正确性和可行性。在此基础上,对钢材强度、截面形式,以及钢材厚度等影响桁架承载力的因素进行了参数分析,结果表明:钢材强度、截面形式,以及钢材厚度对桁架承载力都有较大的影响。本文通过柱挠度曲线法(CDC法)的计算,分析节点连接半刚性对冷弯薄壁C形钢桁架压杆计算长度的影响。通过计算分析可知,冷弯薄壁C型钢桁架压杆半刚性连接的计算长度与节点转动刚度、构件自身刚度及有效截面有关。计算了不同M ?θ曲线时柱子曲线的变化,通过对柱子曲线的对比分析,给出冷弯薄壁型钢受压杆件在平面内计算长度系数μ的建议取值。对于受压弦杆建议其计算长度系数μ= 1.0,对于受压腹杆建议计算长度系数μ= 0.9,对于端斜腹杆和端腹杆,建议其计算长度系数μ= 1.0。最后,结合已有的理论研究成果,参考国外相关的科研成果和国内结构设计方面的规范(程),对屋架进行了设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 冷弯薄壁型钢结构屋架的研究概况
• 1.2.1 国外研究概况
• 1.2.2 国内研究概况
• 1.3 本文研究的内容
• 1.3.1 之前研究存在的问题
• 1.3.2 本文研究的主要内容
• 第二章 冷弯薄壁型钢结构半刚性连接节点桁架的试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验目的
• 2.3 试件的设计与材性
• 2.3.1 试件的设计
• 2.3.2 试件的材料特性
• 2.4 试验装置与仪表布置
• 2.4.1 试验装置
• 2.4.2 仪表布置及应变片布置
• 2.5 试验加载制度及试验过程
• 2.5.1 加载制度
• 2.5.2 试验过程及破坏特征
• 2.6 试验结果与数据分析
• 2.6.1 R-1 试验结果及数据分析
• 2.6.2 R-2 试验结果及数据分析
• 2.7 小结
• 第三章 冷弯薄壁型钢屋架承载力的有限元数值分析
• 3.1 引言
• 3.2 有限元分析建模
• 3.2.1 构件单元类型的选取
• 3.2.2 构件单元刚度矩阵的建立
• 3.2.3 材料的非线性本构关系
• 3.2.4 几何非线性
• 3.3 平行弦桁架的有限元模型建立
• 3.3.1 平行弦桁架的有限元模型
• 3.3.2 平行弦桁架的位移约束及荷载的施加
• 3.4 求解及结果后处理
• 3.4.1 求解设定
• 3.4.2 结果后处理
• 3.5 平行弦桁架的有限元分析
• 3.5.1 R-1 有限元分析与试验结果对比分析
• 3.5.2 R-2 有限元分析与试验结果对比分析
• 3.6 平行弦桁架承载力参数分析
• 3.6.1 杆件厚度对桁架承载力的影响
• 3.6.2 杆件截面尺寸对桁架承载力的影响
• 3.6.3 钢材级别对桁架承载力的影响
• 3.7 小结
• 第四章 节点半刚性对冷弯薄壁钢桁架压杆计算长度的影响
• 4.1 引言
• 4.2 轴心受压杆件的计算长度系数
• 4.3 屋架杆件计算长度的研究概况
• 4.3.1 受压弦杆在桁架平面内的计算长度
• 4.3.2 受压腹杆在桁架平面内的计算长度
• 4.3.3 国外规范对于计算长度系数的研究
• 4.4 自攻螺钉连接的冷弯薄壁型钢节点的特性
• 4.5 节点半刚性对冷弯薄壁钢桁架压杆计算长度的影响
• 4.5.1 计算模型的建立
• 4.5.2 考虑连接半刚性后柱挠度曲线法（CDC 法）的应用
• 4.5.3 节点半刚性对压杆计算长度的影响
• 4.6 小结
• 第五章 冷弯薄壁型钢屋架设计方法研究
• 5.1 引言
• 5.2 屋架设计方法
• 5.2.1 规范的设计方法
• 5.2.2 冷弯薄壁型钢受压杆件的屈曲后承载力与有效宽度设计方法
• 5.2.3 冷弯薄壁型钢轴心受压、拉弯和压弯构件的设计特点
• 5.3 国外屋架的设计
• 5.3.1 设计前提
• 5.3.2 下弦的设计
• 5.3.3 上弦的设计
• 5.3.4 节点设计
• 5.4 三角形屋架的设计
• 5.4.1 荷载计算
• 5.4.2 屋架设计
• 5.4.3 屋架验算
• 5.4.4 屋盖的构造
• 5.5 小结
• 结论与建议
• 本文研究的主要成果
• 建议
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间参与科研和获奖情况
• 致谢