钢框架梁翼缘削弱型节点的试验研究及理论分析

论文摘要

钢框架梁翼缘削弱型节点（RBS）是将塑性铰外移的一种典型节点形式,在距梁端一定距离将梁的上下翼缘进行削弱,迫使塑性铰的位置离开受力复杂且脆弱的焊缝外移至梁上,达到减少节点脆性破坏可能性、提高节点延性的目的。本文针对梁翼缘圆弧式削弱型节点开展了试验和数值分析两方面的研究工作。研究了圆弧式削弱型节点在循环荷载作用下的节点延性和滞回性能,共进行了6个大比例尺模型的拟静力加载试验,其中5个模型用于研究梁翼缘的削弱深度、削弱长度以及削弱起始点位置对RBS节点的破坏形态、极限荷载、最大塑性转角等特性。作为比较,还进行了一个普通全焊接节点的试验。试验结果表明,RBS节点与普通型梁柱节点相比较,具有良好的塑性变形能力和耗能性能。RBS节点试件的滞回曲线丰满,滞回环面积比较大;而普通型节点试件的滞回曲线显得扁长、不丰满。试验中5个节点的塑性转角都大于0.04rad,延性系数大于4.0,达到了抗弯钢框架连接塑性转角不小于0.03rad,延性系数不小于4.0的要求。分析结果表明:RBS节点比传统节点具有更强的耗能能力,可以在梁翼缘削弱区域形成塑性铰,避免梁根部应力发展导致梁柱连接焊缝出现脆性破坏,有利于实现抗震设计中“强节点弱构件”的思想。采用ANSYS有限元软件对全焊接翼缘削弱型（RBS）节点试件和普通焊接节点试件进行了循环荷载以及静力荷载作用下的有限元分析计算。循环荷载作用下有限元分析的主要内容为:对试验中测试的六个试件建立了计算模型,进行了循环荷载作用下的三维非线性有限元分析,系统分析了梁翼缘削弱参数对翼缘削弱型节点受力性能的影响。讨论了梁翼缘的削弱深度、削弱长度、削弱起始位置不同对试件破坏形态、极限荷载、最大塑性转角、滞回性能等影响,并与试验结果进行了对比分析。静力荷载作用下有限元分析的主要内容为:对17个RBS节点试件和1个普通节点试件进行了静力荷载作用下的三维非线性有限元分析。重点分析讨论了梁翼缘削弱后梁应力分布规律以及翼缘削弱对试件承载力的影响,探讨了梁端塑性铰外移的有效性,讨论了削弱起始位移、削弱长度、削弱深度三参数对塑性铰形成的影响,对设计中计算RBS节点的极限荷载公式中的承载力系数Cpr做了讨论分析,并给出建议值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钢框架梁柱的刚性连接
• 1.3 目前规范对节点设计的基本规定
• 1.4 钢框架梁柱焊接连接在地震中的破坏
• 1.4.1 焊接节点的断裂模式
• 1.4.2 梁柱焊接节点断裂模式分析
• 1.4.3 震后启示
• 1.5 国内外研究现状
• 1.5.1 国外主要研究现状
• 1.5.2 国内主要研究现状
• 1.6 本文研究内容
• 1.6.1 目前研究存在的不足
• 1.6.2 本文研究的内容
• 参考文献
• 2 翼缘削弱型（RBS）节点的循环荷载试验研究
• 2.1 材性试验
• 2.2 模型试验
• 2.2.1 试件设计
• 2.2.2 节点细部构造
• 2.2.3 节点削弱参数计算步骤
• 2.2.4 加载装置及加载方案
• 2.3 试验破坏特征
• 2.4 试验结果与分析
• 2.4.1 P-δ滞回曲线
• 2.4.2 延性系数
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 3 翼缘削弱型（RBS）节点有限元模型的建立
• 3.1 有限元简介
• 3.2 三维非线性有限元方程的建立
• 3.2.1 20节点三维等参单元
• 3.2.2 单元分析
• 3.2.3 等效节点荷载
• 3.2.4 钢材弹塑性强化本构关系
• 3.2.5 弹塑性大变形的有限元方程
• 3.3 有限元程序的选取
• 3.4 ANSYS程序简介
• 参考文献
• 4 翼缘削弱型（RBS）节点静力荷载的有限元分析
• 4.1 有限元模型介绍
• 4.1.1 试件材料参数的选取
• 4.1.2 单元选取及网格划分
• 4.1.3 边界条件及加载
• 4.1.4 求解设定
• 4.2 有限元分析
• 4.2.1 RBS节点试件的荷载-位移曲线
• 4.2.2 RBS节点试件的承载能力计算与分析
• 4.2.3 RBS节点试件的塑性铰形成发展规律
• 4.2.4 沿梁翼缘宽度应力分布规律
• 4.2.5 沿梁长度方向应力分布规律
• 4.2.6 沿梁腹板高度方向应力分布规律
• 4.3 RBS连接节点梁翼缘削弱参数分析
• 4.3.1 削弱起始位置a对RBS节点受力性能影响
• 4.3.2 削弱长度b对RBS节点受力性能影响
• 4.3.3 削弱长度c对RBS节点受力性能影响
• 4.4 本章结论
• 参考文献
• 5 翼缘削弱型（RBS）节点循环荷载的有限元分析
• 5.1 ANSYS有限元模型的建立与加载制度
• 5.2 有限元分析
• 5.2.1 应力、变形规律及破坏状态
• 5.2.2 滞回曲线
• 5.2.3 耗能性能
• 5.2.4 延性性能
• 5.2.5 承载力
• 5.3 与实验结果的比较分析
• 5.3.1 主要参数对比分析
• 5.3.2 受力、破坏形态对比分析
• 5.3.3 滞回性能的对比分析
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文、参加的科研工作及获奖情