残余应力及柱脚转动约束对门式刚架平面内稳定承载力影响研究

论文摘要

在依照中国工程建设标准化协会于2002年颁布的《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)对门式刚架楔形柱进行稳定验算时,通常将经常采用的两种简易柱脚形式(1块底板加2或4枚锚栓的柱脚)一概视为铰接,这样就使设计工作大大简化。然而,实验及相关分析表明,这两种柱脚形式(特别是4枚锚栓的简易柱脚)实际上具有相当程度的抗转动能力。在文献[55]的研究中就柱脚实际存在的这种转动约束能在多大程度上增强楔形柱的稳定承载能力做了细致的研究,然而在研究过程中未能计入初始缺陷对该承载力提高的影响。那么初始缺陷究竟对承载力的提高有多大影响?如何在设计中考虑这一影响呢? 针对上述问题,本文主要针对初始缺陷中的工字钢腹板焊接残余应力,对比前人所做的关于柱脚转动约束刚度的研究,在借鉴实验资料及有关分析的基础上,引入了两种焊接残余应力的计算模型,并对在文献[55]中采用的考虑了二阶非线性有限元方法计算门式刚架整体稳定的计算机程序进行了修改,用计算机对单跨门式刚架在有代表性的荷载形式作用下进行了大量的计算。然后与不考虑焊接残余应力的计算结果进行对比,研究了部分焊接残余应力对单考虑柱脚转动约束的门式刚架稳定承载力增强的影响。发现部分焊接残余应力对柱脚配置4枚锚栓的抗转动约束能力的影响较弱,该削弱较小的降低了只考虑柱脚转动约束而未计入焊接残余应力影响时的门式刚架平面内稳定承载力的增值,证明可以在工程设计中适当考虑该有利作用,进一步节约材料,提高经济指标,并提出了具体的而且较为简单的措施。而柱脚仅配置2枚锚栓时,柱脚的抗转动约束能力在计入焊接残余应力影响后降幅更多,而且当锚栓直径、底板厚度较小时,刚架的实际承载能力甚至低于《规程》的计算值,因此,建议当柱脚仅配置2枚锚栓时,不宜提高刚架的稳定承载力,在保证一定的柱脚构造要求后,才可以较为安全的使用《规程》的计算值。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 门式刚架的应用现状与前景
• 1.2 国内外的研究历史与现状
• 1.2.1 国外的理论研究状况
• 1.2.2 国外的实验研究状况
• 1.2.3 国内的研究状况
• 1.3 本文论题的提出、研究目的和意义
• 2 轻型门式刚架变截面柱柱脚的平面内转动约束模型
• 2.1 引入考虑柱脚实际转动约束模型的必要性
• 2.2 考虑转动约束柱脚模型的发展、对比
• 2.2.1 柱脚约束和模型
• 2.2.2 关于柱脚性能的部分研究
• 2.2.3 几种柱脚约束模型的对比
• 2.3 本文所采用的柱脚约束模型
• 2.3.1 柱脚底板受力机构和变形模式
• 2.3.2 影响柱脚底板变形的几个因素
• 2.3.3 柱脚底板荷载--转角公式
• 3 残余应力引入门式刚架稳定问题
• 3.1 门式刚架残余应力
• 3.1.1 残余应力对结构性能的影响
• 3.1.2 残余应力的计算模型
• 3.1.3 本文所采用的残余应力分布
• 3.2 本文有限单元程序的实现
• 3.2.1 单元刚度矩阵的推导
• 3.2.2 柱脚约束边界条件的引入
• 3.2.3 部分焊接残余应力的引入
• 3.3 本文有限元程序的说明
• 3.3.1 子程序说明
• 3.3.2 程序框图
• 4 考虑部分残余应力与柱脚转动约束的门式刚架平面内稳定承载力计算分析
• 4.1 《规程》中变截面柱的设计方法
• 4.2 稳定计算
• 4.2.1 梁为单楔形门式刚架的算例
• 4.2.2 梁为一次折线形门式刚架的算例
• 4.3 结果分析
• 4.4 对现行规范设计的建议
• 4.4.1 柱脚配置4枚锚栓的情况
• 4.4.2 柱脚配置2枚锚栓的情况
• 5 结论与展望
• 5.1 结论及建议
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录