竖向荷载作用下半刚性连接钢框架的简化分析

论文摘要

梁柱连接的节点是钢框架中重要的组成部分,在传统分析和设计中,将框架的梁柱连接假设成为理想的铰接或完全的刚接。虽然,这样简化了钢框架的分析和设计过程,但采用理想的连接模型在很多情况下是不合理的,也不能反映结构工作的实际情况,计算结果误差较大,这是因为在实际工程中的连接是半刚性的。因此,为了合理正确地预测钢框架的实际受力性能,应在钢框架的分析和设计中考虑半刚性连接的影响。本文主要研究了竖向荷载下半刚性连接钢框架的内力计算方法。本文通过采用线性弹簧来模拟梁柱节点连接的半刚性,通过引入修正转动刚度、修正传递系数和修正固端弯矩,将传统的力矩分配法和分层法推广应用于无侧移半刚性连接钢框架的结构分析,这种方法不仅可用来估算截面尺寸,也可作为对电算结果的校核之用,可供工程设计人员参考。提出一种新的力矩分配法,用等效不平衡力矩来代替原来的不平衡力矩,不用分层计算,并通过同样的方法改进新的力矩分配法,计算半刚性连接钢框架。采用有限元软件ANSYS的计算验证了改进的分层法和力矩分配法的可行性。通过对刚接钢框架和半刚性连接钢框架的内力比较分析,可以看到半刚性连接钢框架的梁端弯矩绝对值明显减小,梁跨中弯矩相应增大,柱端弯矩减小。单跨框架柱端轴力不变,梁端轴力变小;柱端剪力减小,梁端剪力不变。双跨框架边柱轴力增大,中柱轴力减小,梁端轴力变化复杂。双跨框架柱端剪力减小,边柱节点处梁端剪力减小,中柱节点处梁段剪力增大。由此可见半刚性节点的初始刚度对框架竖向荷载作用下的内力有很大影响。研究了在不同初始转动刚度的条件下,钢框架的内力随节点初始转动刚度的变化规律,其变化曲线均是非线性的,而且规律相似,当节点初始转动刚度大于某一个值时,曲线趋近于完全刚接的结果;当初始转动刚度小于某一个值时,曲线趋近于完全铰接的结果。分析框架的内力系数和梁的连接刚度系数之间的关系,和影响它们关系的因素。计算了单层单跨框架在竖向荷载下弯矩系数和连接刚度系数的函数公式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 半刚性连接钢框架的提出
• 1.1.3 半刚性连接钢框架的内力分析
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 半刚性节点的研究发展
• 1.2.2 半刚性连接钢框架内力分析的研究发展
• 1.3 各国规范相关规定
• 1.3.1 美国规范
• 1.3.2 欧洲规范
• 1.3.3 我国规范
• 1.4 主要研究内容及思路
• 1.4.1 本课题研究方法
• 1.4.2 本课题研究思路
• 第2章 考虑半刚性连接的内力计算分析
• 2.1 半刚性连接的特性和模型
• 2.2 两种半刚性连接钢框架计算方法
• 2.2.1 梁的等效惯性矩法
• 2.2.2 只考虑一端半刚性连接的方法
• 2.3 半刚性连接钢框架内力计算的理论分析
• 2.3.1 半刚性连接杆单元的转角位移方程
• 2.3.2 修正的转动刚度，传递系数和固端弯矩
• 2.4 竖向荷载下半刚性连接钢框架的内力分析
• 2.4.1 力矩分配法的应用
• 2.4.2 分层法的应用
• 2.5 一种改进的力矩分配法
• 2.5.1 四跨连续梁
• 2.5.2 无侧移框架及数值例
• 2.5.3 改进力矩分配法的应用
• 2.6 算例分析
• 2.6.1 分层法
• 2.6.2 改进的力矩分配法
• 2.7 本章小结
• 第3章 半刚性连接钢框架的有限元分析
• 3.1 有限元分析软件简介
• 3.2 有限元模型的建立
• 3.2.1 单元类型
• 3.2.2 建立模型
• 3.3 有限元求解
• 3.4 几种计算方法的对比
• 3.4.1 分层法、力矩分配法和 ansys 计算结果对比
• 3.4.2 计算结果分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 节点刚度对竖向荷载下框架内力的影响分析
• 4.1 半刚性节点的影响
• 4.1.1 半刚接和刚接钢框架单元力对比分析
• 4.1.2 半刚接钢框架的变刚度计算
• 4.2 半刚接钢框架内力随节点刚度变化规律的研究
• 4.2.1 内力随节点刚度变化规律
• 4.2.2 内力系数与连接刚度系数的关系
• 4.3 钢框架结构类型的分类标准
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢