多层钢结构住宅结构体系及梁柱节点的研究

论文摘要

钢结构住宅在欧美和日本等国家和地区应用比较广泛,我国钢结构住宅产业也已进入一个新的发展阶段。近几年的理论研究和工程实践表明,发展钢结构住宅是切实可行的,并且有很大的发展潜力。本文首先采用PKPM设计软件对钢结构住宅结构体系进行了第一阶段多遇地震作用下的弹性分析,然后采用有限元软件ANSYS对常用梁柱连接节点在单向静荷载作用及循环荷载作用下的受力性能进行了分析。具体作了以下工作:1.针对2种不同开间、柱距、平面布置形式的建筑套型,考虑不同抗震设防要求,进行多层（3～7层）住宅的结构性能分析,并详细研究了6层住宅结构的性能。设计中分别采用了纯钢框架体系、钢框架—支撑体系。钢框架柱选用了方钢管和H型钢。根据设计结果分析比较各种结构体系在以上各种条件下的安全性能、抗侧向变形性能、用钢量的区别,以及不同柱构件形式在各种体系中的性能表现。2.根据高强度螺栓端板连接节点各个组件相互作用的受力特性,对高强度螺栓端板连接节点建立了三维空间非线性分析模型,同时为了更好的比较,还建立了铰接节点和刚接节点（焊栓混合连接）的三维空间非线性分析模型。本文利用所建的模型,采用非线性有限元方法分析了一系列梁柱高强度螺栓端板连接节点以及铰接节点和刚接节点（焊栓混合连接）在单向静荷载作用下的受力一变形全过程。3.详细研究了梁柱高强度螺栓外伸端板连接节点,对得到的弯矩—转角（M-φ）曲线进行了详细的分析,研究了单向静力作用下节点的初始连接刚度、极限弯矩承载力、螺栓的受力、连接组件的变形和破坏模式及循环荷载作用下节点耗散地震能量的能力及延性性能,通过数据的比较,得到了影响节点滞回性能的因素。分析了螺栓直径、螺栓排布、端板厚度、端板加劲肋的形式及厚度、柱加劲肋、摩擦系数、柱轴压比等对外伸端板连接节点单向加载性能和滞回性能的影响。分析结果表明梁柱外伸端板连接具有良好的滞回性能,端板厚度、端板加劲肋、柱腹板加劲肋、柱轴压比是影响连接性能的主要因素。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 我国现阶段对住宅的需求
• 1.1.2 钢产业及钢结构住宅目前所具备的条件
• 1.1.3 传统结构体系的住宅存在的问题
• 1.1.4 钢结构住宅的优缺点
• 1.2 国内外钢结构住宅体系的研究与发展现状
• 1.2.1 国外钢结构住宅的研究与发展
• 1.2.2 国内钢结构住宅的研究与发展
• 1.2.3 本文主要研究内容和意义
• 第二章 多层钢结构住宅体系综述
• 2.1 钢结构构件的材料选择
• 2.1.1 钢结构对材料性能的要求
• 2.1.2 钢结构住宅用钢类型
• 2.2 钢结构住宅常用结构体系
• 2.2.1 纯钢框架结构体系及其优缺点
• 2.2.2 框架—支撑结构体系及其优缺点
• 2.2.3 框架—剪力墙体系及其优缺点
• 2.2.4 框架—核心筒体系及其优缺点
• 2.2.5 交错桁架结构体系及其优缺点
• 2.2.6 轻钢结构住宅体系
• 2.2.7 其它体系
• 2.3 结构主体构件
• 2.3.1 梁和柱
• 2.3.2 围护体系
• 2.3.3 楼（屋）面板
• 2.4 多层钢结构住宅的防腐和防火
• 2.4.1 多层钢结构住宅的防腐及措施
• 2.4.2 多层钢结构住宅的防火及防火保护措施
• 第三章 常用结构体系在不同条件下的设计与比较
• 3.1 钢结构分析设计方法简述
• 3.1.1 中国钢结构设计规范（GB50017-2003）中的分析设计方法
• 3.1.2 高等分析法
• 3.1.3 本文中采取的分析设计方法
• 3.2 计算模型及方案设计
• 3.2.1 建筑体系
• 3.2.2 荷载条件
• 3.2.3 其它
• 3.3 多层（三～七层）钢结构住宅体系研究
• 3.3.1 结构体系及主要构件规格
• 3.3.2 经济指标分析
• 3.3.3 纯框架体系底层钢框架柱强度和稳定设计应力比
• 3.3.4 其它性能
• 3.4 六层八度抗震作用下钢结构住宅体系研究
• 3.4.1 结构体系及主要构件规格
• 3.4.2 经济指标分析
• 3.4.3 结构自振特性比较分析
• 3.4.4 变形比较分析
• 3.4.5 支撑对钢框架结构的性能影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 钢结构住宅梁柱节点有限元分析
• 4.1 梁柱的连接类型
• 4.2 梁柱节点连接的单向加载的有限元分析
• 4.2.1 梁柱节点有限元模型的建立
• 4.2.2 数值模拟的实现
• 4.3 半刚性梁柱节点（外伸端板连接）的有限元模型建立
• 4.3.1 计算模型的建立
• 4.3.2 节点试件明细表
• 4.3.3 ANSYS有限元分析程序的验证
• 4.4 半刚性梁柱节点单向加载计算结果的分析
• 4.4.1 节点的初始转动刚度和极限承载力
• 4.4.2 节点的破坏模式分析及节点极限状态下应力图
• 4.4.3 螺栓的受力分析
• 4.4.4 端板的受力及变形
• 4.5 柔性梁柱节点（铰接）的单向加载力性能分析
• 4.5.1 节点试件明细表
• 4.5.2 计算结果的分析
• 4.6 刚性梁柱节点（栓焊混合梁柱节点）的单向加载力性能分析
• 4.6.1 节点的有限元模型
• 4.6.2 计算结果的分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 外伸端板梁柱连接节点循环加载受力分析
• 5.1 试件的设计
• 5.2 加载方案
• 5.3 计算结果及分析
• 5.3.1 计算结果
• 5.3.2 滞回曲线
• 5.3.3 节点的破坏模式分析
• 5.3.4 节点的滞回性能和延性分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录