钢结构梁柱节点的模型相似性研究

论文摘要

模型试验在结构工程中应用广泛,其试验结果可以作为工程设计的依据。然而,目前对于梁柱节点模型试验及模拟误差的分析缺乏系统的研究。本文作为国家自然科学基金课题《框架节点性能研究的标准方法研究》(50678098)的一个子项,从理论分析、试验研究和有限元分析三个角度集中讨论了钢结构梁柱节点模型试验的相关问题,其内容包括梁柱节点相似条件的推导、节点模型设计方法的比较与讨论,不同缩尺比例模型的相似性分析和模型模拟误差的分析,并初步探讨了模拟误差的影响因素及其作用规律。本文首先以简支梁模型试验为例,从理论上进行了深入的分析,对比了两种模型设计方法的模拟误差,并指出了产生模拟误差的原因,在此基础上提出了受弯构件或以受弯为主的结构的模型设计推荐性意见。另外,根据相似原理和量纲分析法推导出钢结构梁柱节点模型试验的相似条件。在钢结构梁柱节点试验中,本研究根据相似条件设计了3个梁柱等截面的T形节点,其一为节点原型,另外两个是缩尺比例分别为0.706和0.563的模型。试验采用在柱端铰接固定、梁端静力单调加载的方式,考察了模型与原型在应力、位移、总体变形特征以及破坏模式等方面的相似性,对应力、位移进行了模拟误差分析。在有限元分析中,本研究用ABAQUS软件建立了四组非线性分析模型,然后讨论了四种模型设计方法中不同测点在多级荷载作用下应力和位移的相似性,由此得出模型的模拟误差及其变化,并进一步探讨模拟误差的影响因素及其作用规律。试验结果和有限元分析的数据表明了几何上的型钢厚度是导致钢结构梁柱节点试验模拟误差的主要原因,另外边界条件和材料性能上的不相似也会导致模拟误差的产生,而且模拟误差会由于受力过程发展、位置区域等的不同而改变。在这些研究分析的基础上,本文提出了梁柱节点模型试验的参考性意见。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 梁柱节点模型试验的研究现状
• 1.1.2 模型实验法的其他应用
• 1.2 目前研究存在的不足及问题的提出
• 1.3 本文的主要内容
• 1.3.1 研究目的及意义
• 1.3.2 研究内容及方法
• 1.3.3 本文的创新性
• 1.3.4 各章的主要内容
• 第2章 模型试验的理论分析及相似条件的推导
• 2.1 模型试验理论的简介
• 2.2 简支梁模型试验分析
• 2.2.1 简支梁相似条件的推导
• 2.2.2 简支梁相似模型的设计与计算
• 2.2.3 简支梁模拟误差的分析
• 2.2.4 相似条件的进一步分析
• 2.3 节点相似条件的推导
• 2.4 量纲分析对节点理论模型的贡献
• 2.5 本章结论
• 第3章 钢结构梁柱节点相似模型的试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验目的
• 3.3 试验内容
• 3.4 试件设计、制作和安装
• 3.5 量测内容
• 3.5.1 转角测量
• 3.5.2 位移测量
• 3.5.3 应变测量
• 3.6 加载制度与装置
• 3.7 材性试验
• 3.8 试验现象
• 3.9 试验结果与分析
• 3.9.1 倾角信息
• 3.9.2 位移信息
• 3.9.3 应变信息
• 3.10 本章结论
• 第4章 钢结构梁柱节点相似模型的有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 有限元建模
• 4.2.1 几何建模和测点布置
• 4.2.2 材料本构
• 4.2.3 单元
• 4.2.4 边界条件
• 4.2.5 加载
• 4.2.6 其他一些特殊的处理
• 4.3 计算结果与分析
• 4.3.1 比较指标的说明
• 4.3.2 模型设计方法的比较
• 4.3.3 不同缩尺比例的比较
• 4.3.4 不同荷载级别的比较
• 4.3.5 不同测点的比较
• 4.3.6 与完全相似模型的比较
• 4.3.7 应力分布和总体变形的相似性
• 4.4 本章结论
• 第5章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 梁柱节点模型试验研究的参考性意见
• 5.3 后续研究课题的展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 本人简历