扣件联接钢结构的试验及其理论研究

论文摘要

扣件连接的钢结构体系是指作用在支架上施工设施和看台、平台等公共临设之中的,采用脚手架杆件构配件组装的,可反复装拆的临时工程结构。本文以扣件式高大模板支撑体系为主要研究对象,系统地分析和总结了国内外研究现状及发展趋势,并在施工现场调研和试验研究的基础上,对模板支撑体系的失稳模式、稳定承载能力等一系列问题进行了试验研究和讨论,对高大模板支撑体系的稳定理论和设计方法,节点的半刚性、二阶效应和构造因素对整架稳定承载力的影响进行了较为深入的研究和探讨,是作者承担的国家急需的研究项目“高大模板扣件式支撑系统施工技术研究”的研究内容,其成果部分已应用于实际,本文的主要研究成果的概括为以下几个方面:(1)根据施工现场的调查和多次典型事故的分析,总结了高支模支撑体系事故发生的原因和特点,提出有效可行的对策来预防此类事故的发生。(2)在有关高支模试验数据缺乏的情况下,对该体系进行了整架试验研究,得出高支模体系坍塌时整体失稳的模式,与数值计算结果吻合较好。(3)在分析现有规范存在不足的前提下,对国内常用的模板支撑体系的稳定承载能力进行了理论分析。基于扣件抗扭性能的试验研究成果,提出了考虑扣件半刚性和初始缺陷影响的三维有限元模型。利用该模型进行线性屈曲和非线性屈曲分析,有限元计算结果表明非线性屈曲的分析方法能考虑诸多不利因素应优先采用,具有一定的安全度。(4)由于高支模体系属于临时设施,其材料和架体的初始几何缺陷无时不在,根据钢结构设计理论,提出考虑二阶效应的假想水平力设计法;通过研究高支模体系水平杆和立杆的连接节点的半刚性,提出了用广义假想水平力来模拟架体的所有缺陷并建立有限元模型,计算值与试验值对比表明是可行的、合理的。(5)通过建立高支模三维有限元模型,对其进行非线性承载力屈曲分析,定性的研究了立杆的步距、水平杆间距、剪刀撑、立杆伸出顶层水平杆长度a值、扫地杆的设置、架体的搭设高度以及纵横向搭设跨数对整架稳定承载力的影响。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 高大模板支撑体系的极限状态和概率极限状态法
• 1.3.1 高大模板支撑体系的极限状态
• 1.3.2 结构的荷载效用分析
• 1.3.3 概率极限状态法
• 1.3.4 设计表达式
• 1.4 本文主要研究内容
• 1.5 参考文献
• 2 高大模板支撑体系试验研究
• 2.1 试验设计
• 2.1.1 试验目的
• 2.1.2 试验仪器
• 2.1.3 整架试验方案设计
• 2.1.4 节点试验方案设计
• 2.1.5 试验注意事项
• 2.2 试验项目的预分析
• 2.2.1 预分析工作的重要作用
• 2.2.2 三维有限元模型的预分析结果
• 2.3 整架试验现象与结果分析
• 2.3.1 工况1（无剪刀撑）
• 2.3.2 工况2（仅横向端部有剪刀撑）
• 2.3.3 工况3-1（考虑对接扣件四周设置剪刀撑的工况）
• 2.3.4 工况3-2（四周都有剪刀撑）
• 2.3.5 工况4（在工况3的基础上将步距改为1148mm）
• 2.3.6 工况5（在工况4的基础上将纵距改为900mm）
• 2.3.7 小结
• 2.4 整架实验结果与有限元计算结果的对比分析
• 2.4.1 变形分析
• 2.4.2 立杆轴力分析
• 2.4.3 横杆应力分析
• 2.4.4 剪刀撑应力分析
• 2.4.5 小结
• 2.5 参考文献
• 3 高大模板扣件式结构体系分析
• 3.1 连接节点半刚性的特点
• 3.2 水平杆与立杆连接节点性能试验研究
• 3.3 半刚性连接数值模型
• 3.4 半刚性高大模板扣件式结构单元刚度的推导
• 3.4.1 杆端弯矩与节点位移的关系
• 3.4.2 杆端扭矩与节点位移的关系
• 3.4.3 杆端轴向力与节点位移的关系
• 3.4.4 局部坐标系下的单元刚度矩阵
• 3.4.5 半刚性连接杆件的非节点荷载处理
• 3.5 节点的半刚性对高支模的稳定承载力的有限元分析
• 3.5.1 基本假定
• 3.5.2 模型建立与计算
• 3.5.3 节点的半刚性和架体的二阶效应对稳定承载力的影响
• 3.6 小结
• 3.7 参考文献
• 4 高大模板扣件式结构体系稳定性理论
• 4.1 压杆稳定的概念
• 4.2 轴心受压杆件极限承载力的欧拉公式
• 4.3 受压杆件端部固定条件与计算长度
• 4.4 初始几何缺陷对轴心受压构件的影响
• 4.4.1 初弯曲对轴心受压构件的影响
• 4.4.2 初偏心对轴心受压构件的影响
• 4.5 基于有侧移框架柱理论的计算长度系数修正法
• 4.5.1 基本假定
• 4.5.2 计算长度系数的确定
• 4.5.3 考虑节点半刚性的计算长度系数修正法
• 4.5.4 程序编制及计算长度系数μ的确定
• 4.6 高大模板支撑体系假想水平力设计法
• 4.6.1 钢结构三种设计分析方法
• 4.6.2 高大模板支撑体系假想水平力的取值
• 4.6.3 高大模板支撑体系立杆的稳定计算
• 4.7 作用于高支模体系上的荷载及其荷载组合研究
• 4.7.1 荷载分类
• 4.7.2 荷载效应组合
• 4.8 参考文献
• 5 构造因素对高大模板支撑体系稳定承载力的影响
• 5.1 三维有限元分析模型的建立
• 5.1.1 ANSYS程序简介
• 5.1.2 采用大型通用有限元ANSYS软件分析高支模架体的基本过程
• 5.2 扫地杆的设置对高支模稳定承载力的影响研究
• 5.2.1 有限元模型的选取与建立
• 5.2.2 计算分析
• 5.2.3 小结
• 5.3 立杆伸出顶层水平杆长度A值对高支模稳定承载力的影响研究
• 5.3.1 有限元模型的选取与建立
• 5.3.2 计算分析
• 5.3.3 小结
• 5.4 搭设高度对架体稳定承载力的影响
• 5.4.1 有限元模型的选取与建立
• 5.4.2 计算分析
• 5.4.3 小结
• 5.5 剪刀撑（水平和垂直）的设置对高支模稳定承载力的影响研究
• 5.5.1 水平剪刀撑的设置对高支模稳定承载力的影响的研究
• 5.5.2 竖直剪刀撑的设置对高支模稳定承载力的影响的研究
• 5.6 纵横距的设置对高支模稳定承载力的影响研究
• 5.6.1 有限元模型的选取与建立
• 5.6.2 计算分析
• 5.6.3 小结
• 5.7 搭设步距的设置对高支模稳定承载力的影响研究
• 5.7.1 有限元模型的选取与建立
• 5.7.2 计算分析
• 5.7.3 小结
• 5.8 跨数对高支模稳定承载力影响的研究
• 5.8.1 有限元模型的选取与建立
• 5.8.2 计算分析
• 5.8.3 小结
• 5.9 参考文献
• 6 结论与展望
• 6.1 本文的主要研究成果
• 6.2 本文的主要创新点
• 6.3 研究展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文与主持或参与的科研项目