H型钢柱（弱轴）-H型钢梁节点断裂机理及抗断设防

论文摘要

钢框架是一种安全可靠、经济实用、节能省地、绿色环保的新型结构体系，已在建筑工程中得到广泛应用。但震害表明传统的钢框架结构节点域在地震作用下易脆断，抗震性能不满足抗震设计原则。目前对钢框架的研究领域主要集中在柱强轴方向，而对受力性能更差、安装更困难，同样普遍存在的柱弱轴方向研究甚少。文中利用ANSYS软件的开放式接口，连接了将建议的结构钢椭球面屈服模型编译成的子程序模块。运用此子程序对H型钢梁—H型钢柱弱轴节点试验，进行了基于椭球面屈服模型的数值模拟及断裂分析，获得了等效考虑焊接残余应力和焊接缺陷的椭球面断裂模型修正系数。以考虑焊接残余应力和焊接缺陷椭球面断裂模型为判据，对钢框架H型钢梁—H型钢柱弱轴常规节点（BS试件）进行了断裂机理研究，结果显示：在塑性变形阶段，梁翼缘对接焊缝边缘处应力集中严重，且存在较高的平均应力和等效应力；对接焊缝边缘首先开裂，随着荷载的增加，裂缝迅速向中间蔓延，断裂时塑性角达到0.015rad，远小于FEMA要求的0.03rad，常规节点呈脆性破坏。以椭球面断裂模型为判据，提出了采用圆弧连接板、焊接孔扩大、梁翼缘和腹板开孔型新节点构造，并进行了有限元参数研究，分析了新型梁柱弱轴连接的破坏机理，探讨了开孔参数对梁柱弱轴节点受力性能的影响规律，建议了提高节点延性且节点承载力未明显降低的构造参数取值。本文所得结论和建议为规范修订和工程设计提供参考，为进一步研究梁柱弱轴节点及其对钢框架整体性能的影响提供借鉴。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景、研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文的主要研究工作
• 1.3.1 梁柱弱轴连接存在的问题和研究趋势
• 1.3.2 本文的研究设想及主要思路
• 2 H 型钢梁—H 型钢柱弱轴连接基本理论
• 2.1 H 型钢梁—H 型钢柱弱轴连接构造形式
• 2.2 梁柱弱轴节点的设计原则
• 2.3 材料本构关系和破坏准则
• 2.3.1 结构钢椭球面断裂模型及耦联的椭球面屈服模型
• 2.3.2 流动法则
• 2.3.3 硬化法则
• 2.4 本章小结
• 3 H 型钢梁—H 型钢柱弱轴连接的数值模拟
• 3.1 有限元程序的选取
• 3.2 有限元模型的建立及求解
• 3.3 椭球面屈服模型验证及考虑焊接缺陷和焊接残余应力的椭球面断裂模型修正系数
• 3.3.1 试验描述及结果
• 3.3.2 数值模拟及比较
• 3.3.3 考虑焊接缺陷和焊接残余应力的椭球面断裂模型修正系数
• 3.4 梁柱弱轴常规节点数值模拟及断裂机理分析
• 3.4.1 材料参数的选取
• 3.4.2 基本试件的设计
• 3.4.3 加载与求解
• 3.4.4 BS 试件数值计算结果及分析
• 3.4.5 BS 试件焊缝应力场分析
• 3.5 本章小结
• 4 梁柱弱轴连接的有限元参数研究
• 4.1 削弱型梁柱弱轴节点设计
• 4.1.1 WFD 系列试件
• 4.1.2 FRF 系列试件
• 4.1.3 FRS 系列试件
• 4.1.4 FSD 系列试件
• 4.1.5 SWD 系列试件
• 4.1.6 WR 系列试件
• 4.2 削弱型梁柱弱轴节点的数值模拟及结果分析
• 4.2.1 WFD 系列试件
• 4.2.2 FRF 系列试件
• 4.2.3 FRS 系列试件
• 4.2.4 FSD 系列试件
• 4.2.5 SWD 系列试件
• 4.2.6 WR 系列试件
• 4.3 本章小结
• 5 削弱型梁柱弱轴连接破坏机理及开孔参数对其受力性能分析
• 5.1 削弱型梁柱弱轴连接破坏机理分析
• 5.2 开孔参数对梁柱弱轴连接对接焊缝受力性能分析
• 5.2.1 梁翼缘、腹板开孔对梁柱弱轴受力性能影响
• 5.2.2 构造参数对梁柱弱轴受力性能影响
• 5.3 本章小结
• 6 结论、建议与展望
• 6.1 结论与建议
• 6.2 展望
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢