钢梁柱弱轴顶底角钢连接受力性能研究

论文摘要

我国是一个产钢大国,但是我国钢结构的应用范围、研究水平以及工业化程度却远远落后于西方发达国家,还有很多的技术难题没有解决。梁柱连接是影响框架结构受力性能的重要因素,但是《钢结构设计规范》并没有给出梁柱弱轴顶底角钢连接具体的计算方法,因此有必要进行深入研究。本文首先综述了梁柱顶底角钢连接的研究现状、发展前景和研究应用中存在的不足,对弱轴顶底角钢连接的抗弯性能及影响抗弯性能的因素进行了研究,为梁柱弱轴顶底角钢半刚性节点的设计和研究提供了一定的参考,主要研究内容如下：(1)采用组件法,根据已有试验确定的连接性能的主要影响因素,借鉴已有成果和理论推导计算,对梁柱弱轴顶底角钢半刚性连接的承载性能以及破坏形式等方面进行研究,得出了连接的初始转动刚度和极限弯矩计算公式,其中连接的初始转动刚度由角钢、柱腹板和螺栓的刚度共同决定,而连接的极限弯矩由角钢、柱腹板和螺栓的极限弯矩最小值决定。本文利用推导公式计算了一种连接的初始转动刚度和极限弯矩,并同已有实验数据进行了比较,理论计算结果和实验结果比较吻合,证明该公式可用于工程设计计算连接的初始转动刚度和极限弯矩。(2)考虑到梁柱连接的力学性能可以用有限元软件ANSYS进行分析,论文建立了有限元模型,模拟了梁柱弱轴顶底角钢半刚性连接的非线性力学行为,通过建模加载计算,获得了具有一定精度的计算结果,通过与理论计算结果进行对比,有限元结果和理论计算结果比较吻合,进一步证明理论推导公式可用于工程计算。(3)通过正交试验方案设计,设计了9个模型,并计算了各模型的初始转动刚度和极限弯矩,利用级差分析比较系统地研究了顶底角钢厚度,腹板厚度和螺栓直径这3个主要影响连接性能的因素,腹板角钢厚度、顶底角钢厚度和螺栓直径对连接初始转动刚度的影响程度依次降低；顶底角钢厚度、螺栓直径和腹板角钢厚度对连接极限弯矩的影响程度依次降低。对比计算结果可知,梁柱弱轴底角钢半刚性连接的初始转动刚度和极限弯矩与连接各组件的力学性能相关,组件的改变会使连接的初始转动刚度和极限弯矩发生较大变化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及目的意义
• 1.2 梁柱顶底角钢连接节点的基本特性
• 1.2.1 梁柱节点的分类
• 1.2.2 梁柱弱轴顶底角钢连接的构造及约束关系
• 1.2.3 各国规范对梁柱弱轴顶底角钢连接的规定
• 1.3 梁柱顶底角钢连接研究现状
• 1.3.1 梁柱强轴顶底角钢连接国内外研究现状
• 1.3.2 梁柱弱轴顶底角钢连接国内外研究现状
• 1.4 半刚性连接研究及应用中存在的不足
• 1.4.1 试验研究
• 1.4.2 理论计算方法研究
• 1.4.3 有限元分析研究
• 1.5 论文研究内容和思路
• 第2章 弱轴顶底角钢连接初始转动刚度的研究
• 2.1 概述
• 2.2 弱轴顶底角型钢连接初始转动刚度的计算
• 2.2.1 顶角钢刚度
• 2.2.2 柱腹板刚度
• 2.2.3 螺栓抗拉刚度
• 2.2.4 弱轴顶底角钢连接节点初始转动刚度算例
• 2.3 本章小结
• 第3章 弱轴顶底角钢连接塑性极限弯矩研究
• 3.1 概述
• 3.2 弱轴顶底角型钢连接极限承载力的计算
• 3.2.1 角钢塑性极限弯矩
• 3.3.2 柱腹板塑性极限弯矩
• 3.3.3 螺栓塑性极限弯矩
• 3.2.4 弱轴顶底角钢连接节点极限弯矩算例
• 3.3 本章小结
• 第4章 弱轴顶底角钢连接节点有限元分析
• 4.1 三维非线性限元法基础理论
• 4.1.1 非线性问题
• 4.1.2 屈服准则
• 4.1.3 后继屈服条件
• 4.1.4 流动准则
• 4.1.5 螺栓预紧力单元
• 4.1.6 求解器
• 4.1.7 加载制度
• 4.2 ANSYS建模基本过程
• 4.2.1 单元类型
• 4.2.2 材料特性
• 4.2.3 几何建模
• 4.2.4 网格划分
• 4.2.5 接触条件定义
• 4.2.6 施加荷载和约束条件
• 4.2.7 有限元求解及结论
• 4.3 本章小结
• 第5章 弱轴顶底角钢连接影响因素分析
• 5.1 概述
• 5.2 正交试验
• 5.2.1 正交试验设计法的基本思想
• 5.2.2 正交试验设计法的常用术语
• 5.2.3 正交表
• 5.2.4 级差分析方法
• 5.3 本文试验方案
• 5.4 影响因素分析
• 5.4.1 顶底角钢连接初始转动刚度和极限弯矩计算
• 5.4.2 初始转动刚度的级差分析
• 5.4.3 极限弯矩的级差分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论和建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果