半刚性连接钢框架的弹塑性性能及热性能研究

论文题目: 半刚性连接钢框架的弹塑性性能及热性能研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 结构工程

作者: 刘曙

导师: 蒋沧如

关键词: 顶底角钢带双腹板角钢,外伸端板,半刚性连接,钢框架,有限元

文献来源: 武汉理工大学

发表年度: 2005

论文摘要: 钢框架中梁柱连接起着在两种构件之间传递弯矩和剪力的作用，是钢框架的主要组成部分，其性能直接关系到结构的整体反应。因此钢框架梁柱连接的受力机理及承载力问题的研究具有重要的理论意义和工程参考价值。本文完成了三榀1：2钢框架模型试验和八个足尺比例的梁柱连接模型在低周往复荷载作用下的试验研究，进行了以下几个方面的深入研究： 1、首次在国内进行了两榀半刚性连接平面钢框架结构的拟静力试验。通过试验考察了半刚性连接平面钢框架结构在循环荷载作用下的弹塑性性能：了解了结构在丧失极限承载力后的破坏形态和塑性铰出现的顺序；利用所编程序计算了其中一个框架的受力性能。程序计算结果与试验值相比，弹性阶段吻合得较好，塑性阶段由于塑性铰法无法考虑残余应力、刚度硬化以及塑性区长度的发展等因素，因此与试验值相比误差偏大。 2、首次在国内进行了一榀狗骨式刚性连接平面钢框架结构和顶底角钢带双腹板角钢连接、外伸端板连接以及狗骨式刚性连接这五种连接类型共八个原型试件拟静力试验。通过试验得到了各种连接在循环荷载作用下的M-θ_r关系、屈服荷载、破坏形式、破化荷载和抗震性能。了解狗骨式连接对结构塑性铰出现的顺序以及结构破坏形态的影响，了解节点处与狗骨处应力发展状况。 3、根据连续介质力学的有限变形理论和Prandl-Reuss理论，应用泛函的最小势能原理，将传统的梁柱法与有限单元法相结合，通过引入刚度影响系数P_s和塑性变形影响系数P_r，建立了梁柱简化塑性区单元模式的非线性增量刚度矩阵，可用于半刚性连接钢框架的二阶弹塑性分析和弹塑形大位移分析。 4、将一种简单且有效的考虑剪切变形影响的四节点板弯曲单元引入弹-塑性问题的计算中，将单个螺栓连接的受拉刚度关系由有效受压面积法表示，将单个螺栓连接的剪力-变形关系应用于扭剪螺栓群的内力、变形中，以极限状态法计算螺栓群的扭剪问题。 5、编程计算了各种型式(端板外伸式、端板平齐式、端板斜接、柱腹板加劲)、不同端板厚度、不同螺栓直径的梁柱端板节点的初始刚度、节点极限弯矩，并比较了不同端板厚度、不同节点力臂、不同螺栓直径和强度等级、不同连接形式下初始刚度和极限弯矩的变化。选取不同跨度、不同高度、柱脚刚结的一组钢框架，计算了其在柱顶水平集中力、竖向均布荷载作用下节点刚度与梁柱线刚度之比对跨中挠度及弯矩的影响。提出节点刚度的设计建议：(a)增加端板

论文目录:

第1章绪论

1.1 钢结构住宅在我国的应用和发展情况

1.1.1 高层钢结构

1.1.2 空间大跨度结构

1.1.3 桥梁钢结构

1.1.4 轻钢结构

1.1.5 住宅钢结构

1.2 国内外研究概况

1.2.1 钢框架的几何非线性分析

1.2.2 钢框架的材料非线性分析

1.2.3 半刚性连接钢框架的结构分析

1.3 各国钢结构规范中梁柱连接的设计和计算方法

1.3.1 欧洲规范

1.3.2 美国连接设计规范

1.3.3 日本连接规范

1.3.4 我国钢结构规范

1.4 本文研究的主要工作

第2章半刚性连接钢框架和节点的试验研究

2.1 引言

2.2 材料试验

2.3 半刚性连接钢框架和节点的试验概况

2.3.1 试件的设计和制作

2.3.2 试验的量测仪器和加载装置

2.3.3 试验的加载制度

2.4 半刚性连接钢框架和节点的试验分析

2.4.1 钢框架试验结果及分析

2.4.2 节点试验结果及分析

2.5 本章小结

第3章半刚性连接钢框架的弹塑性性能研究

3.1 半刚性连接梁柱单元二阶弹塑性分析增量刚度方程

3.1.1 基本假定

3.1.2 半刚连接梁柱单元二阶弹塑性分析增量刚度方程

3.1.2.1 简化塑性区单元模式

3.1.2.2 刚度影响系数P_s

3.1.2.3 标准化切线模量E_r

3.1.2.4 塑性区长度和塑性变形影响系数P_r

3.1.2.5 单元二阶弹塑性增量刚度矩阵

3.2 半刚性连接钢框架非线性平衡方程的建立和求解

3.2.1 增量形式的基本方程

3.2.2 求解结构非线性问题的荷载增量法

3.2.2.1 线性增量法

3.2.2.2 线性半增量法

3.2.2.3 二阶弹塑性分析的荷载半增量法的计算步骤

3.3 半刚性连接钢框架二阶效应的简化计算

3.3.1 基本假定

3.3.2 框架柱的抗剪刚度Q_0

3.3.3 柱子反弯点高度比y_0

3.3.4 工程算例

3.4 高强度螺栓的性能

3.4.1 高强度螺栓的应力-应变曲线(σ-ε曲线)和受拉刚度

3.4.2 螺栓连接的受剪性能

3.4.2.1 单个螺栓连接的轴心受剪的剪力-变形性能

3.4.2.2 螺栓群偏心受剪性能

3.5 柱子翼缘的受拉性能

3.6 本章小节

第4章半刚性连接钢框架梁柱的连接性能分析

4.1 顶底角钢带双腹板角钢钢框架的连接性能分析

4.1.1 计算程序简介

4.1.2 程序计算结果与试验结果比较分析

4.2 端板连接钢框架的连接性能分析

4.2.1 计算节点的选取

4.2.2 程序计算用的理论公式

4.2.2.1 初始刚度相关公式

4.2.2.2 规范方法计算节点极限弯矩

4.2.2.3 理论推导公式求极限弯矩

4.2.3 程序计算及计算结果

4.2.3.1 钢框架节点性能计算程序

4.2.3.2 程序计算结果

4.2.3.3 节点刚度对钢架变形的影响

4.2.3.4 节点刚度对弯矩的影响

4.2.4 节点刚度的设计建议

4.2.4.1 节点型式

4.2.4.2 构造措施

4.3 本章小节

第5章半刚性连接钢框架的非线性有限元分析

5.1 非线性有限元分析概述

5.1.1 材料的屈服准则、流动法则和强化法则

5.1.1.1 屈服准则

5.1.1.2 流动法则

5.1.1.3 强化法则

5.1.1.4 塑性应变增量

5.1.2 数值算法的步骤及有关说明

5.1.2.1 数值算法的步骤

5.1.2.2 对双线性随动强化准则的说明

5.2 半刚性连接钢框架有限元模型的建立

5.2.1 模型所用的单元及其性质

5.2.2 模型所用材料的性质

5.2.3 模型建立以及单元划分结果

5.3 半刚性连接钢框架有限元模型的计算结果及分析

5.3.1 顶底角钢带双腹板角钢半刚性连接钢框架的计算分析

5.3.2 外伸端板半刚性连接钢框架的计算分析

5.4 本章小节

第6章半刚性连接钢框架的热性能研究

6.1 国内外钢结构抗火设计研究概况

6.2 高温下结构钢热膨胀系数

6.2.1 结构钢热膨胀系数

6.2.2 结构钢的比热C_s

6.2.3 结构钢的导热系数λ_s

6.3 高温下结构钢的力学性能

6.3.1 应力-应变关系

6.3.2 高温下结构钢的泊桑比

6.3.3 高温下结构钢的等效屈服强度

6.3.4 高温下结构钢的初始弹性模量

6.4 高温下钢构件的计算与设计方法

6.4.1 高温下轴心受压钢构件的计算与设计方法

6.4.1.1 高温下轴心受压钢构件临界应力的计算

6.4.1.2 高温下轴心受压力钢构件的稳定系数φ_t

6.4.2 钢梁抗火计算和设计的实用方法

6.4.2.1 高温下钢梁的承载力

6.4.2.2 高温下偏心受压钢柱的简化计算方法

6.4.2.3 高温下钢框架结构的计算与设计方法简介

6.5 高温下半刚性连接钢框架的有限元模型建立

6.6 半刚性连接钢框架有限元模型的计算结果及分析

6.6.1 顶底角钢带双腹板角半刚性连接钢框架的计算结果分析

6.6.2 外伸端板半刚性连接钢框架的计算结果分析

第7章结论与展望

7.1 本文的主要结论

7.2 展望

参考文献

博士在读期间发表的论文

发布时间: 2006-12-04

参考文献

[1].钢结构半刚性连接体系理论分析及实验研究[D]. 完海鹰.中国科学技术大学2009
[2].半刚性连接钢框架内填钢筋混凝土剪力墙结构体系的滞回性能及抗震设计对策[D]. 彭晓彤.西安建筑科技大学2005
[3].水平荷载作用下半刚性连接组合梁框架的实用设计方法[D]. 刘清平.同济大学2006
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[7].半刚性连接钢框架—钢板剪力墙结构的结构影响系数和位移放大系数研究[D]. 刘高波.西安建筑科技大学2011
[8].基于体系可靠度的半刚性钢框架结构优化设计研究[D]. 何嘉年.汕头大学2010
[9].特高压输电塔半刚性连接节点受力性能及结构非线性分析研究[D]. 赵楠.重庆大学2014
[10].半刚性连接钢框架设计理论与方法[D]. 刘伟.东南大学2016

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