钢框架梁翼缘削弱和扩翼式延性节点的有限元分析

论文摘要

针对钢框架刚性节点在地震荷载作用下出现大量的脆性破坏,梁上未出现明显的或没有发生塑性变形的问题,为了改善节点性能避免脆性断裂,本文从延性角度出发,使用有限元分析软件ANSYS,对新型延性节点进行有限元分析,结果显示狗骨式节点和扩翼式节点具有理论上的合理性和实际中的可行性。狗骨式节点塑性铰的形成位置移至梁翼缘削弱处,扩翼式节点的塑性铰形成位置移至扩翼圆弧段末端,两者均远离梁柱焊接处这一易发生脆性破坏的薄弱环节,而且两种节点在梁柱焊接处的应力值均有减小,应力集中程度也有减弱。根据钢框架强柱弱梁的抗震设计原则,新型延性节点满足使梁上塑性铰的位置远离节点区的设计思路,达到塑性铰外移和增加抗震性能的目的。狗骨式节点由于粱翼缘削弱,节点承载能力受损,扩翼式节点由于梁根部翼缘宽度的扩大,节点承载能力提高,可承受较普通刚性节点更大的荷载作用。综合分析这两种新型延性节点的受力性能,在钢框架梁柱节点设计中,为满足抗震要求,建议首选扩翼式节点。分别对狗骨式节点的削弱参数、扩翼式节点的设计参数变化时的不同节点进行弹性和弹塑性有限元分析,从应力发展和节点承载力等方面分析削弱参数、设计参数对节点性能的影响。狗骨式节点的削弱参数可适当取较大值,以满足塑性铰外移,但是参数值不宜过大,以防止节点削弱太大,使节点的承载能力受到较大的损失。扩翼式节点的扩翼段、扩翼圆弧段的长度、宽度适当加大,有助于节点的抗震性能增强和承载力的增加。通过以上研究分析,对狗骨式节点削弱参数和扩翼式节点设计参数的取值范围提出建议,确定狗骨式节点梁翼缘削弱的长度、深度以及与柱翼缘的距离,并确定扩翼式节点的扩翼段的长度、宽度以及扩翼圆弧段的长度,使其抗震性能满足延性要求,为工程设计提供可参考的设计依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 新型延性节点的概念——塑性铰外移
• 1.2.1 塑性铰外移的必要性
• 1.2.2 塑性铰外移的基本形式
• 1.3 研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 新型延性节点的理论基础
• 2.1 传统刚性节点
• 2.1.1 基本理论
• 2.1.2 破坏原因
• 2.2 建筑钢结构焊接节点地震破坏的防止措施
• 2.2.1 设计措施
• 2.2.2 施工措施
• 2.3 新型延性节点
• 2.3.1 钢框架延性设计
• 2.3.2 狗骨式节点的设计原理
• 2.3.3 扩翼式节点的设计原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 新型延性节点的有限元分析
• 3.1 有限单元法
• 3.2 有限元分析
• 3.2.1 单元类型的选择和材料属性的确定
• 3.2.2 屈服准则
• 3.2.3 流动准则
• 3.2.4 强化准则
• 3.2.5 几何模型
• 3.2.6 有限元模型
• 3.2.7 边界条件和加载制度
• 3.2.8 求解设置
• 3.3 有限元分析结果比较
• 3.3.1 弹性阶段
• 3.3.2 弹塑性阶段
• 3.4 节点承载能力的比较
• 3.5 本章小结
• 第4章 狗骨式节点梁翼缘削弱参数研究
• 4.1 引言
• 4.2 削弱参数a
• 4.2.1 弹性阶段和弹塑性阶段的应力云图
• 4.2.2 应力比较
• 4.2.3 承载能力比较
• 4.3 削弱参数b
• 4.3.1 弹性阶段和弹塑性阶段的应力云图
• 4.3.2 应力比较
• 4.3.3 承载能力比较
• 4.4 削弱参数c
• 4.4.1 弹性阶段和弹塑性阶段的应力云图
• 4.4.2 应力比较
• 4.5 本章小结
• 第5章 扩翼式节点梁翼缘设计参数研究
• 5.1 引言
• a'>5.2 设计参数L_a
• 5.2.1 弹性阶段和弹塑性阶段的应力云图
• 5.2.2 应力比较
• 5.2.3 承载能力的比较
• b'>5.3 设计参数L_b
• 5.3.1 弹性阶段和弹塑性阶段的应力云图
• 5.3.2 应力比较
• 5.3.3 承载能力比较
• wf'>5.4 设计参数b_wf
• 5.4.1 弹性阶段和弹塑性阶段的应力云图
• 5.4.2 应力比较
• 5.4.3 承载能力比较
• 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、参加的科研工作
• 致谢