扩翼型节点钢框架的抗震性能研究

论文摘要

在美国北岭地震和日本阪神地震发生后，世界各国专家学者针对新型延性节点进行了大量的试验研究及理论分析，但是研究只局限于梁柱节点的形式进行，针对采用新型节点的钢框架的研究还没有展开进行。本文结合目前国内外的研究现状，针对采用扩翼式节点的钢框架展开了系统的试验研究，并对多种不同节点构造形式的钢框架进行了ANSYS有限元理论分析。其中研究的扩翼型节点钢框架的节点形式属于新型延性节点的一种，是一种典型的将塑性铰外移的节点。本文针对扩翼型节点钢框架开展了拟静力试验研究和ANSYS有限元数值分析工作，主要内容包括：⑴设计并制作了一榀缩尺比例为1/2的两层扩翼式节点钢框架进行拟静力试验研究，在整个试验加载过程中，钢梁没有发生整体屈曲；破坏时，一层梁下翼缘处有较大的塑性变形，塑性铰中心在扩翼圆弧段末端附近形成，有效的达到塑性铰外移的目的，避免发生梁的脆性断裂。但是由于受到作动器出力范围的限制，塑性铰发展不彻底。通过分析钢框架的滞回曲线、等效粘滞阻尼系数等力学指标发现，本次试验由于受到滑移特别是柱脚处滑移的影响，导致了滞回曲线呈反S型，降低了框架的耗能能力。⑵按照拟静力试验框架试件尺寸制作相应的ANSYS有限元模型进行对比分析。通过与有限元结果的对比，对试验结果加以验证，并指出试验中存在的不足和缺陷。通过对比可以发现，有限元模型在一层结构梁扩翼处出现了塑性铰，塑性铰出现的位置与框架试验相同，进一步证明了采用扩翼式节点的钢框架可以有效的使塑性铰远离柱翼缘截面。从有限元的滞回性能以及耗能能力来看，由于有限元计算忽略了螺栓与焊缝的影响，并消除了柱脚滑移等不利因素，模型滞回曲线呈饱满的梭形，模型的耗能能力也较试验框架有较大的提高。从有限元模型的应力云图可以看出，采用扩翼式节点的钢框架由于梁翼缘局部加强，导致了框架节点域部位的应力较大，应引起重视。⑶分别制作了全结构与半结构扩翼式节点框架有限元模型，对两种模型的受力性能进行对比。对比结果表明半结构框架模型由于在梁自由端施加了竖向约束，一定程度的降低了结构的承载力，但承载力降低程度较小，同时两个有限元模型在滞回性能以及耗能能力上基本相同，说明半结构框架模型也可以较好的模拟全结构框架在低周反复荷载作用下的受力情况。而且半结构框架模型可以有效的减少有限元计算量，相比全结构框架模型而言，半结构框架模型的计算精度大大增加，突出了节点形式对框架整体抗震性能的影响，有利于对不同构造形式节点钢框架进行对比分析。⑷为了对比不同节点构造形式钢框架的整体抗震性能设计建立了DNT系列半结构框架有限元模型。同时针对节点域的不同加强措施，建立了DPZ系列半结构框架有限元模型。其中DNT-1模型为普通节点钢框架模型，DNT-2为扩翼式节点钢框架模型，DNT-3为侧板加强型节点钢框架模型，DPZ-1为节点域加贴板框架模型，DPZ-2为节点域加横板框架模型，DPZ-3为节点域加竖板框架模型。通过对DNT系列模型的破坏形态、滞回性能、承载能力等指标的对比发现，扩翼式节点钢框架和侧板加强型节点钢框架的承载能力均有提高，且表现出了比普通节点框架更好的抗震性能。其中DNT-2模型与DNT-3都在一层梁翼缘变截面位置出现塑性铰，其中扩翼式节点钢框架的承载能力略低于侧板加强型节点钢框架，但是耗能能力更好，且无应力集中现象，更适于在强震区使用。通过对DPZ系列有限元模型的结果进行对比，发现3种节点域加强措施都可以有效的减小节点域位置应力，其中节点域贴板加强型钢框架的效果最明显且抗震性能优良，建议在实际工程中应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 近年来世界各国对钢框架梁柱连接的研究
• 1.2.1 传统钢框架梁柱焊接连接在地震中破坏的原因
• 1.2.2 震后钢结构设计的对策
• 1.2.3 加强型节点的连接形式
• 1.2.4 削弱型节点的连接形式
• 1.3 梁端扩大型梁柱节点连接的研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 采用新型梁柱节点的钢框架研究现状
• 1.5 本文的研究内容及目的
• 1.5.1 目前研究存在的不足
• 1.5.2 本文研究的内容和方法
• 第2章 试验试件设计
• 2.1 试验目的及内容
• 2.2 试件的初步设计
• 2.3 试件数量的确定及结构试验对试件设计的要求
• 2.4 美国规范对扩翼式节点翼缘宽度的计算公式推导
• 2.5 试件设计
• 2.6 试件描述
• 2.6.1 节点细部构造
• 2.6.2 试验前框架试件各构件尺寸的实测值
• 2.7 本章小结
• 第3章 扩翼式节点钢框架的拟静力试验研究
• 3.1 拟静力试验及其机理
• 3.2 材性试验
• 3.3 试验设备
• 3.4 数据采集装置
• 3.5 加载制度
• 3.6 试验结果分析
• 3.6.1 试验现象
• 3.6.2 层间剪力—层间位移滞回曲线
• 3.6.3 骨架曲线
• 3.6.4 耗能能力
• 3.7 本章小结
• 第4章 扩翼式节点钢框架的 ANSYS 有限元分析
• 4.1 有限元软件的选取
• 4.2 建立有限元模型
• 4.2.1 材料特性
• 4.2.2 单元类型及网格划分
• 4.2.3 材料非线性分析
• 4.2.4 几何非线性分析
• 4.2.5 状态非线性分析
• 4.2.6 非线性分析求解设置
• 4.2.7 有限元模型的建立
• 4.2.8 加载制度
• 4.3 有限元模型计算结果与框架试验结果对比
• 4.3.1 破坏形态对比
• 4.3.2 滞回性能的对比
• 4.3.3 骨架曲线的对比
• 4.3.4 耗能能力对比
• 4.4 本章小结
• 第5章 不同节点钢框架模型有限元对比
• 5.1 半结构框架模型与全结构框架模型受力性能的对比
• 5.1.1 半结构框架模型的建立
• 5.1.2 破坏形态
• 5.1.3 滞回性能与耗能能力
• 5.1.4 骨架曲线与承载能力
• 5.2 有限元模型的建立
• 5.3 DNT 系列模型计算结果
• 5.3.1 应力分布云图
• 5.3.2 应力路径分布
• 5.3.3 滞回性能
• 5.3.4 骨架曲线与承载能力
• 5.3.5 耗能能力
• 5.3.6 刚度退化
• 5.4 DPZ 系列模型计算结果
• 5.4.1 应力分布云图
• 5.4.2 应力路径分布
• 5.4.3 滞回性能
• 5.4.4 骨架曲线与承载能力
• 5.4.5 耗能能力
• 5.4.6 刚度退化
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加的科研项目
• 致谢