基于椭球面强度模型的方钢管混凝土柱—型钢梁节点断裂分析及试验研究

论文摘要

本文利用通用软件ANSYS的参数化设计语言APDL和用户编程功能UPFs,将建议的结构钢静水应力型椭球面屈服模型编制成子程序模块,通过ANSYS软件的开放式接口,实现了程序编制。通过对梁柱节点试验的数值模拟和分析,得出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。对方钢管混凝土柱-型钢梁节点进行了基于椭球面强度模型的数值模拟和断裂分析,结果显示：柱对梁的强约束使对接焊缝处应力集中严重,该处的等效应力和平均应力幅值均较高,当对接焊缝应力场函数达到建议的椭球面断裂模型临界值时,该处发生断裂。以椭球面断裂模型为评判依据,提出了提高梁柱连接延性的梁翼缘和腹板开孔新型节点。在明析节点破坏机理的基础上,对新型节点进行了有限元参数研究,探讨了削弱参数对其受力性能的影响,提出了降低对接焊缝等效应力和平均应力幅值（即提高节点延性）的构造建议,给出了新型节点的抗震建议。根据有限元分参数研究结果,对1/2缩尺模型的6个方钢管混凝土柱-型钢梁节点进行了低周反复循环加载试验,研究了对接焊缝的断裂行为、梁翼缘和腹板开孔处的塑性变形情况,试验结果表明,新型节点具有良好的耗能能力和抗震性能,塑性转角满足结构抗震设计要求,与有限元预测结果吻合较好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景、研究目的和意义
• 1.2 钢管混凝土结构的节点类型
• 1.2.1 圆钢管混凝土结构的节点类型
• 1.2.2 方钢管混凝土结构的形式
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 方钢管混凝土柱-型钢梁节点研究中存在的问题及本文的主要工作
• 1.4.1 方钢管混凝土柱—型钢梁节点研究中存在的问题
• 1.4.2 本文的主要工作
• 第2章 方钢管混凝土柱—型钢梁节点非线性有限元分析
• 2.1 材料本构关系和破坏准则
• 2.1.1 钢材本构关系
• 2.1.2 混凝土本构关系
• 2.1.3 破坏准则
• 2.2 椭球面屈服模型在ANSYS平台上的实现
• 2.3 节点有限元模型建立及求解
• 2.3.1 节点有限元模型建立
• 2.3.2 求解及结果后处理
• 2.4 椭球面强度模型验证及断裂参数修正系数
• 2.4.1 试验描述
• 2.4.2 数值模拟
• 2.4.3 断裂分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 梁翼缘、腹板开孔型方钢管混凝土柱—型钢梁节点有限元参数研究
• 3.1 翼缘、腹板开孔型节点设计
• 3.1.1 WD系列试件
• 3.1.2 FBH系列
• 3.1.3 FMH系列
• 3.1.4 FSH系列
• 3.1.5 WH系列
• 3.2 材料模型和单元选取
• 3.3 简化处理
• 3.4 加载与求解
• 3.5 梁翼缘、腹板开孔型节点的数值计算结果及分析
• 3.5.1 Base试件
• 3.5.2 WD系列试件
• 3.5.3 FBH系列试件
• 3.5.4 FMH系列试件
• 3.5.5 FSH系列试件
• 3.5.6 WH系列试件
• 3.6 本章小结
• 第4章 梁翼缘、腹板开孔的方钢管混凝土柱—型钢梁节点循环加载试验
• 4.1 材性试验
• 4.1.1 钢材材性试件
• 4.1.2 混凝土材性试件
• 4.1.3 材性试验过程及结果
• 4.2 梁翼缘、腹板开孔的方钢管混凝土柱—型钢梁全焊节点循环加载试验
• 4.2.1 试件设计
• 4.2.2 试验装置
• 4.2.3 节点试验结果
• 4.2.4 试验结果分析
• 4.3 本章小结
• 结论、建议与展望
• 1. 结论与建议
• 2. 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录B 椭球面屈服模型及其流动法则子程序