钢结构梁柱刚性连接节点优化研究

论文摘要

随着经济的稳步发展,钢结构以其特殊的性能得以广泛的应用。但在1994年美国的北岭地震和1995年日本的阪神地震,以及钢结构在施工过程中出现的事故中,曾经被认为具有良好抗震性能的钢框架的梁柱连接处发现了大量的脆性断裂现象。地震后人们对钢框架梁柱连接性能及其对钢框架结构抗震性能的影响进行了大量研究。钢框架结构的梁柱连接多按刚性连接设计,主梁与柱的连接具有足够刚度。钢结构梁柱节点按照连接方法可以分为:焊接节点、螺栓连接节点和栓焊混合连接节点。首先,本文从设计角度出发,分析了常用3种梁柱节点的设计方法,指出梁柱刚性连接节点设计中所存在的问题及其正确的设计方法。其次,详细阐述了通过利用狗骨式梁柱节点形式来优化设计钢框架梁柱节点。运用有限元ANSYS程序进行18个不同削弱参数的节点模型的运算,进行两种荷载作用下受力性能的对比分析。总结出当对梁翼缘进行削弱,且如果削弱位置和尺寸设计合理时,节点在荷载作用下应力最大值将出现在具有很大塑性变形能力的梁翼缘削弱部位,偏离了在很多实际工程中最容易发生脆性破坏的梁柱节点连接处,达到通过设计增加结构的延性的目的。深入讨论了狗骨式节点削弱的合理位置和尺寸。再次,比较加强式连接、狗骨式连接、翼缘增强狗骨式连接等的受力性能,指出其设计中计算方法。在弹性、弹塑性有限元分析的基础上,对狗骨式节点和翼缘增强狗骨式节点进行了承载能力对比分析,结果表明:翼缘增强狗骨式节点设计可以将梁柱翼缘焊缝的塑性铰有效的转移到塑性好的母材区域,避免了在薄弱的焊根部位形成塑性铰,保护了韧性较差的焊缝。荷载作用下,翼缘增强狗骨式节点的承载能力优于狗骨式节点。最后,根据以上研究分析结果,对常用的刚性连接节点作法,在抗震性能方面作一个评价,提出经济、合理、实用的节点形式以及施工建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 钢结构的特点、现状和发展趋势
• 1.2 梁柱节点连接研究的工程意义
• 1.2.1 工程中存在的梁柱节点形式
• 1.2.2 洛杉矶、日本版神大地震及国内钢结构震害事故
• 1.2.3 对地震引发建筑事故进行分析
• 1.2.4 节点连接在结构设计中的重要性
• 1.3 国内外针对钢框架梁-柱刚性节点性能的研究
• 1.3.1 改进节点设计的途径
• 1.3.2 国外关于刚性节点破坏的研究
• 1.3.3 国内关于刚性节点破坏的研究
• 1.4 本文的研究目的及内容
• 1.4.1 前人研究的不足
• 1.4.2 本文研究的思路
• 1.4.3 本文将要进行的主要工作
• 2 多、高层房屋钢结构梁柱刚性连接节点设计
• 2.1 结构抗震设计经过了以下发展阶段
• 2.2 梁柱刚性连接节点设计分类
• 2.2.1 多遇地震作用
• 2.2.2 超过多遇地震作用
• 2.2.3 三种不同的设计方法
• 2.3 梁柱刚性连接节点设计中所存在的问题及其正确的设计方法
• 2.3.1 第一种设计方法（即按组合内力来设计的方法）
• 2.3.2 第二种设计方法（即杆件承载力设计法）
• 2.3.3 第三种设计方法（极限承载力设计法）
• 2.4 对比国外在这方面的设计动向
• 2.4.1 将我国（仅指第一阶段）与美国设计手册的计算公式进行比较
• 2.4.2 极限承载力设计法与国外对比
• 2.5 本章总结
• 3 节点连接计算与优化设计
• 3.1 选取狗骨式节点的依据
• 3.1.1 狗骨节点优点
• 3.1.2 节点承载力的变化情况
• 3.1.3 节点形式
• 3.1.4 塑性铰外移后腹板的连接
• 3.2 本文研究中所参照的实验模型
• 3.3 有限元模型的建立
• 3.3.1 有限元分析的依据
• 3.3.2 模型的建立
• 3.4 有限元模型的检验
• 3.4.1 有限元模型网格划分
• 3.4.2 节点的弹性静力计算
• 3.4.3 节点的弹塑性计算
• 3.4.4 Von Mises 应力梯度图
• 4 削弱部位及削弱长度的变化对节点性能影响
• 4.1 有限元研究的关键部位
• 4.2 弹性阶段的有限元分析结果
• 4.2.1 第一种情况
• 4.2.2 第二种情况
• 4.2.3 第三种情况
• 4.3 弹塑性阶段的有限元分析结果
• 4.3.1 节点塑性区的开展情况
• 4.3.2 计算结果分析-确定c 值
• 4.3.3 梁翼缘削弱处的应力、应变分布情况
• 4.3.4 梁根部的应力和应变分布
• 4.3.5 梁长方向的应力和应变分布
• 4.3.6 节点承载力的变化
• 4.4 本章小结
• 4.4.1 b、c 参数的取值
• 4.4.2 狗骨节点的设计方法建议
• 5 翼缘加强形狗骨分析
• 5.1 翼缘加强形狗骨节点的提出
• 5.1.1 翼缘增强狗骨节点与其余节点对比
• 5.1.2 梁端增强式和狗骨式并用的连接节点作法
• 5.1.3 细部尺寸的选取
• 5.1.4 ANSYS 有限元模拟基本过程
• 5.2 弹性阶段
• 5.3 弹塑性阶段
• 5.3.1 梁长方向的应力应变分布
• 5.3.2 梁根部的应力应变分布
• 5.3.3 节点承载力的变化情况
• 5.4 本章小节
• 5.4.1 加强狗骨性能分析
• 5.4.2 翼缘加强狗骨节点削弱深度的确定
• 6 节点性能综述
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究生期间发表论文