钢框架梁柱平齐端板连接的损伤本构关系研究（可编辑）.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流钢框架梁柱平齐端板连接的损伤本构关系研究（可编辑）.精品文档.钢框架梁柱平齐端板连接的损伤本构关系研究一 一一 一,学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者:易日期: 年月日学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品,知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅;本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时,第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。学位论文作者:荡日期:年月日摘要摘要钢框架梁柱平齐端板连接是一种典型的半刚性连接,然而,由于我国对端接的研究起步较晚,对其受力特性缺乏深入的认识,结构设计规范也没有给出半刚性节点的具体计算方法和弯矩一转角关系曲线。实际的结构设计简单的将平齐端板连接处理为理想刚接或完全铰接,这种做法显然存在误差。本文以半刚性连接节点的弯矩一转角关系为研究重点,在查阅了大量的中外文献的基础之上,对国内外在半刚性节点研究方面取得的成果进行了综述,简要分析了钢框架梁柱半刚性连接节点的受力特性,总结了前人研究的半刚性节点的弯矩一转角关系曲线的数学模型及各自的优缺点。介绍了有限元的基本理论,利用有限元软件建立了平齐端板连接节点的有限元模型,并得到了试验结果的验证;建立了五类共个半刚性平齐端板连接节点的有限元模型,通过对比各类节点的弯矩一转角关系曲线,研究了节点几项重要连接参数对平齐端板连接节点受力性能的影响,包括:端板厚度、第一排螺栓到梁受拉翼缘的距离顶边距、螺栓中距、螺栓直径和柱腹板加劲肋。从材料损伤的角度,探讨了梁柱半刚性连接节点在弯矩作用下的损伤演化的物理机制,在细观层次上,用弯曲微弹簧来表征细观单元,建立了一种并联弹簧细观模型,用于分析平齐端板连接节点的宏观受力性能,并由此导出有理论基础的弯矩一转角关系模型,提出了一种均值损伤函数形式来描述平齐端板半刚性连接的损伤演化,从而得到具体的表达式,而本构模型中的两个重要参数,即极限弯矩和初始刚度,则参考了欧洲规范的计算方法及有关研究者的成果。进一步对平齐端板连接的本构关系进行数值模拟,验证了本文模型的有效性。关键词:钢结构平齐端板连接半刚性弯矩?转角模型有限元损伤本构目录绪论.研究背景和意义.国内外研究概况.国外研究概况.国内研究概况.本文的主要研究内容.梁柱半刚性连接的受力性能?.半刚性连接节点的受力特性.弯矩一转角关系模型.线性模型.多项式模型.样条模型.幂函数模型?. .指数函数模型?.欧洲钢结构规范建议的弯矩一转角关系模型?梁柱平齐端板连接的非线性有限元分析?有限元软件概述?.单元选取.有限元分析结果与试验结果对比.影响平齐端板连接弯矩一转角特性的参数分析.试件设计.端板厚度的影响.顶边距的影响?.螺栓水平间距的影响?.螺栓直径的影响?一.柱腹板加劲肋的影响?。.本章小结平齐端板连接的损伤本构关系研究.损伤力学的基本理论?.损伤变量.有效应力.等效假设.平齐端板连接节点的损伤机制?.细观力学及其研究尺度.:肖点受弯细观损伤机制.半刚性连接的损伤本构关系模型.损伤变量.损伤演化.本构关系模型.模型简化?.、目录.参数分析.损伤的简化表达式?.抗弯承载力和初始转动刚度计算.破坏模式与计算方法?.抗弯承载力计算.初始转动刚度计算?.弯矩一转角关系的验证?.与试验结果的对比?.与分析结果的对比?.小结?结论与展望?.结论.展望.参考文献?致谢个人简历、在学期间的学术论文与研究成果.绪论绪论.研究背景和意义目前,钢结构因具有传统结构形式无法替代的优点而被广泛应用于多高层建筑和大跨度空间结构中,这些优点有轻质高强、延性好,施工速度快、环保节能等。随着我国在钢材产量和质量上的不断提高,钢结构较传统结构形式在成本上越来越有竞争力,可以预见,钢结构将会越来越多的应用于建筑结构中【】。梁柱连接节点向来是影响整个结构受力与安全的重要部分,钢框架梁柱连接节点构造复杂多样,内力分布和变形都很难确定,给结构设计计算带来了很大的困难。在钢框架结构的设计和分析中,一般采用的方法是假定梁柱连接节点为理想刚接或者完全铰接:前者认为钢框架在受荷变形时,梁柱间无相对转动,连接能传递弯矩;后者则意味着连接不能传递弯矩,梁柱间存在相对转动。通常认为,连接具有理想刚性%以上的转动约束能力时,可看作刚接:节点在外力作用下,梁柱间相对转角能够达到或超过理想铰接的%时,可视为铰接【。虽然完全刚接或铰接的假定使结构的分析设计过程大为简化,但是实际工程中很难达到以上两种情况,大多都是处于二者之间的半刚性连接状态。上世纪九十年代中期发生于美国和日本的地震,导致许多钢框架梁柱焊接刚性连接节点因延性差而发生严重的脆性破坏,这使得工程师们开始注意到钢结构节点设计中所存在的问题。盯丌盯厂厂丌厂丌丌厂厂盯丌丌丌坛瞄铰接框架刚接框架 半刚接框架图. 竖向荷载下框架梁的弯矩分布图.是框架梁在竖向荷载作用下的弯矩分布,其中,铰接连接施工方便,绪论但耗能性能差,对抗震不利,在竖向荷载作用下梁垮中承受较大的弯矩,梁端不承受弯矩,难以充分发挥梁截面的强度,如图.所示;刚性连接钢框架在竖向荷载作用下,梁端所承担的负弯矩要大于跨中弯矩,如图.所示,材料强度同样不能够充分利用,并且刚接连接施工难度大且延性差;半刚性连接的突出优点是具有良好的耗能能力,抗震性能优越,如图.所示,通过合理的设计连接刚度,可以调整框架梁中的弯矩分布,使跨中正弯矩和梁端负弯矩与相应的抗弯承载力相匹配,从而充分发挥材料的强度,具有较好的经济效益。】通过试验研究得出:钢框架采用半刚性连接可比刚接钢框架节约钢材.,比铰接钢框架至少节约钢材%。两端外伸式 一端外伸式 平齐式 内缩式图.端板连接种类端板连接是一种典型的半刚性连接形式,它由梁、柱、端板和螺栓组成,其中,梁与端板焊接,端板与柱采用高强螺栓连接,进而形成可以承受弯矩、剪力和轴力的节点连接形式。常用的端板连接可以分为以下三种连接形式:外伸式、平齐式、内缩式【,外伸式又包括两端外伸式和一端外伸式两种形式,如图.所示。外伸式连接抗弯性能好、连接刚度大,但往往受到建筑空间的制约而采用平齐式连接。当钢框架中采用半刚性节点进行连接时,需以连接本构方程即弯矩一转角关系方程作为计算依据【】,我国现行的钢结构设计规范?】简称规范中也做了相应规定:在进行半刚性连接节点的内力分析时,必须预先确定连接的弯矩一转角特性曲线,以便考虑连接变形的影响。然而,由于端板连接自身的连接构造特点,可变的几何参数很多,不同的连接形式对应的弯矩一转角关系曲线各异【】,再加上端板与柱翼缘的接触问题和螺栓的预应力问题,使得端板连接的弯矩一转角关系成为一种复杂的非绪论线性问题,曲线的拟合和预测都非常困难,因而,钢结构中端板连接的本构关系研究进展缓慢。我国对于端板连接的研究起步较晚,对其受力特性也缺乏深入的了解,规范也没有给出半刚性连接的弯矩一转角曲线及具体的计算方法,实际的结构设计中仍然简单地将端板连接处理为刚接或者铰接,只计算连接强度而忽略刚度的变化,这种做法显然存在误差。实践和理论均表明,把半刚性连接按刚性连接进行分析时,高估了梁柱的连接刚度,低估了框架的侧移和一效应的影响,使设计偏于不安全【】。因此,有必要对半刚性连接设计中的关键力学问题一本构关系进行进一步的深入研究,以完善我国钢结构设计规范。.国内外研究概况目前,半刚性连接的研究是一项热点课题,国内外在这方面的研究概括起来可以分为以下两个方面:一方面,探索一种简单准确实用的表达式来反映半刚性连接的弯矩一转角关系,为半刚性节点的设计计算提供依据;另一方面,基于试验的半刚性连接钢框架静、动力性能的研究。其中第一个方面是半刚性连接研究的基础。.国外研究概况国外对于半刚性连接节点的研究起步较早,涉及到梁柱连接的转动刚度的研究要追溯到上世纪初。年和【】做了一些试验,首次探讨了铆钉连接钢框架的柔性。为了给半刚性节点的设计提供一定的理论依据,美国、英国、加拿大等国学者相继对半刚性节点做了一些试验和理论分析, 年,】做了铆钉连接的试验,研究其弹性性能,并提出了弯矩一转角曲线的线性模型。年,¨】等人进行了以高强螺栓作为节点连接件的框架静力性能试验。随着高强螺栓的广泛应用,半刚性连接的研究越来越受到人们的关注。上世纪六十年代中期,和】进行了个平齐端板连接节点的试验研究,研究结果显示,端板厚度对节点的连接强度具有重要影响。紧接着,】做了焊接端板连接性能的试验研究。到上世纪年代末,平齐和外伸端板连接被广泛应用于抗弯连接中,在】及和】的标准方程。和¨,以及和分别运用线性和非线性屈服线来预测平齐端板连接的端板抗弯能力。年,和】进行了半刚性框架的研究并得出结论:一个完整的半刚性连接的分类必须考虑连接刚度和梁刚度的比值。年,】等人的研究证实了框架结构及它的构件和连接节点具有半刚性非线性响应的特征,连接的柔性会在结构中产生显著的二阶?效应,这在结构设计中是必须被考虑的。】等人研究了半刚性的分类标准,他们采用试验和理论数据为依据,以刚度、极限强度和延性作为度量,这种分类方法对于新型和老的连接类型都适用。和】采用两种被推荐的连接模型又将连接刚度考虑到了已经制定的美国钢结构协会的设计方法中,第一种模型使用修正的初始转动刚度来代表,第二种模型由梁线理论确定。美国学者和】对前人的研究进行广泛的了解,收集了超过个钢结构连接的弯矩一转角数据,并将连接分为个类型,他们提出了几个弯矩一转角模型,其中三参数指数模型获得了最多的关注。以上描述的和其他的研究都是采用消耗大量时间的试验获取的数据来建立弯矩一转角方程,这不仅限制了试验中连接的几何尺寸的变化,也很难获得加载全过程中连接各部分的应力分布和变化情况。为了弥补试验的不足,一些研究者开始采用有限元分析的方法来研究半刚性连接。等人【¨】用绪论二维有限元模型分析计算了个两端外伸式端板连接的半刚性节点,材料采用理想弹塑性本构模型,忽略螺帽和柱的影响,最后得到节点的弯矩一转角曲线,通过与个试件的试验结果对比,吻合良好,验证了有限元结果的正确性。上世纪九十年代,和¨】对端板连接节点进行了大量的有限元分析,第一次考虑了柱翼缘与端板之间的接触问题,分析了节点转角的组成及各组成部分所占的比重,讨论了柱加劲肋对螺栓力的大小和分布、端板应力分布、节点变形的影响;他们进一步建立了个柱上无加劲肋和个有加劲肋的一端外伸式端板连接的有限元模型,并进行了弹塑性分析,采用多元线性回归的方法得到节点的弯矩一转角曲线的计算公式。随后,等人】将新型实体单元用于半刚性端板连接的有限元分析中,通过细致的网格划分,充分考虑了螺栓预拉力和螺栓头、螺杆、螺母等细部构造的影响,分别对梁柱和梁梁两端外伸式端板连接进行了分析,重点介绍了接触状态和应力分布随荷载变化的整个过程。.国内研究概况钢结构这种结构形式在国内的应用起步较晚,半刚性节点的研究也是从上世纪八十年代后期才开始受到关注。年,同济学者李国强、沈祖炎?分析了半刚性钢框架的动力特性,结果显示:梁柱连接节点刚度对钢框架的地震位移反应影响较大,而节点强度对其影响甚小;他们在此基础上提出了半刚性连接钢框架弹塑性地震反应计算方法。年,徐伟良、吴惠弼】分别分析了半刚性连接钢框架的弹性、塑性和稳定性,结果表明:钢框架连接节点的半刚性对结构的性能有不利影响,在结构分析设计中应予以考虑。同年,陈林、崔佳、吴惠弼【】提出了一种全新的数学模型来描述半刚性连接的弯矩一转角关系,该函数针对不同的连接类型具有自适应能力,也就是说对于不同的半刚性节点形式,该函数模型的表达式均不相同,这给实际应用带来了不便。年,李永泉、何若全】概述了半刚性节点在国内外研究状况;总结了三种常用的研究方法,分别是单因素协调计算法、割线刚度增量法和有限元过渡元模型;初步探讨了半刚性连接钢框架的设计方法。年,郑廷银【】建立了端板连接节点的实用计算模型并提出了相应的设计方法。年李少制】研究总结了工字形截面钢构件的几种常用连接形式,并分析了各连接形式的受力特性和破坏形态,以屈服线理论为基础,提出了螺栓受力和端板厚度的实用计算表达式。绪论从上世纪九十年代后期开始,针对半刚性连接节点的试验研究在国内陆续开展,同时,结合试验的理论分析也得到了进一步发展。彭福明、王燕【】通过试验研究,探讨了外伸端板连接节点在循环荷载作用下的受力特性,并依据试验结果,提出了增加半刚性节点延性的构造措施。年,张建吲】对梁柱半刚性端板连接节点的静力工作性能进行了研究,分析总结了六种前人提出的端板连接节点弯矩一转角关系模型,在此基础上,提出了一个与欧洲规范中所采用表达式相类似的三折线表达式,并采用组件法推导了节点的初始转动刚度和极限承载力的计算公式。年,施刚、石永久等人【】介绍了一些半刚性端板连接的特性和国外常用半刚性连接的设计方法,经过分析总结,认为节点转动刚度的取值是目前半刚性连接研究和应用中存在的主要问题。王新武、李凤霞哪以顶底角钢连接半刚性节点为研究对象,对该类节点进行了动力特性的试验研究,分析了其在低周反复荷载作用下的刚度、承载力和延性特征。年,施刚【进行了个梁柱端板连接的静力和循环荷载试验,对比分析了端板连接类型、端板厚度、端板加劲肋、螺栓直径、柱腹板加劲肋等因素对连接的受力性能、延性、滞回特性和抗震性能的影响;他也对这个端板连接节点进行了非线性有限元分析,得到了许多试验中无法测量的结果;综合试验研究、有限元分析和理论研究的成果,并结合国外相关设计规范,为外伸式端板连接半刚性节点提出了静力和抗震设计方法,主要包括:节点承载力和初始转动刚度的计算方法、弯矩一转角曲线的简化形式和计算方法、抗震承载力验算和延性设计方法等。年,石永久等人【】结合已有的研究成果和国外规范的建议,提出了外伸端板连接节点的弯矩一转角关系曲线及相应的简化算法,并为该类节点的设计提出了构造建议。.本文的主要研究内容目前我国对于半刚性梁柱连接节点的静力和动力性能已经有了一定的试验研究和理论分析,但是在半刚性节点设计计算最关键的弯矩一转角关系的研究上还没有形成一个简单适用的表达式,大多数研究以已有研究成果为基础,提出参数修正或简化算法,缺乏理论基础,并且,目前国内多数研究以外伸式端板连接节点为主,其他形式的半刚性连接少有涉及。针对上述问题,结合河南省科技攻关重点项目“新型建筑结构体系成套技术与应用研究项目编号进行连刚性梁,总结数学模模型和节点的已有相:建立点的弯梁腹板此类连柱半刚性连接节点在梁端弯矩作用下的损伤演化的物理机制,在细观层次上,用弯曲微弹簧来表征细观单元,建立一种并联弹簧细观模型,用于研究平齐端板半刚性连接节点的宏观受力性能,并由此导出有一定理论基础的弯矩一转角关系模型。提出一种均值损伤函数形式来描述平齐端板半刚性连接的损伤演化,从而得到具体的表达式,而本构模型中的两个重要参数,即极限弯矩和初始刚度,则参考了欧洲规范的计算方法及有关研究者的成果。进一步对平齐端板连接的本构关系进行数值模拟,验证了本文模型的有效性。结论及展望。对本文的研究结果进行全面总结,归纳出若干有益的结论,并对以后需要进一步深入研究的问题提出若干建议。梁柱半刚性连接的受力性能梁柱半刚性连接的受力性能半刚性连接节点的受力特性钢框架中梁柱的连接传递着梁柱间弯矩、剪力和轴力,连接的变形或破坏主要由弯矩引起,由剪力和轴力引起的节点变形相较于由弯矩引起的节点转动变形要小得多,通常情况下可以忽略不计,只考虑弯矩引起的转动变形。因此,节点的弯矩一转角关系成为反映连接变形和受力特性的重要指标。目前,钢框架梁柱半刚性连接的主要类型如图.所示,其中各连接分别表示:腹板双角钢连接;矮端板连接;顶底角钢连接;腹板双角钢顶底角钢连接;齐平端板连接;外伸端板连接;短型钢连接。一 /.一囱 白广 广。,?一刍刈 芦图.半刚性连接类型图.给出了各种连接形式的弯矩一转角曲线,从这个图中我们可以看出:半刚性连接的弯矩一转角关系在加载全过程内是非线性的;所有连接的弯矩一转角曲线均介于理想刚接垂直轴和完全铰接水平轴之间;.同一弯矩作用下,刚度大的连接所产生的转角相对较小。同样,发生相同转角时,刚度大的连接所能承担的弯矩相对较大;连接的刚度越大,节点的极限抗弯承载力也越大。要可以概括为以下几构关系非线性的主要因素;连接中存在应力集中,如螺栓和构件之间,端板和柱翼缘之间。正是由于引起半刚性连接弯矩一转角关系非线性的因素众多并且存在不确定性,给弯矩一转角曲线的模型化带来了很大的困难。加载初期的切线刚度是半刚性连接计算的一个重要参数,称之为初始刚度,用杨表示,随着加载的进行,连接的刚度呈单调递减的趋势,直到连接达到极限抗弯承载力舰。基于这些特征,研究者们提出了一些表达半刚性连接弯矩一转角关系的数学模型。.弯矩一转角关系模型 .半刚性梁柱连接的弯矩一转角关系是半刚性节点设计计算必不可少的,弯矩一转角.关系不仅要能够反映连接的各特征指标,还应具有简单、直观和精确的实用性。国内外许多学者在对半刚性连接进行理论研究的基础上也做了一些试验研究,获得了大量的试验数据,通过对试验数据的拟合,提出了几种半刚性连接弯矩一转角关系的数学模型。梁柱半刚性连接的受力性能线性模型线性模型可以分为单线性、双线性和多线性等,如图.。图.线性弯矩一转角关系曲线单线性模型:单线性模型所表示的节点弯矩一转角关系在加载全过程中简单地以连接的初始转动刚度局来表示连接的受力特性。这模型无法反映连接屈服后的弯矩?转角关系。双线性模型:在连接屈服之前,与单线性模型相同,刚度为连接的初始转动刚度:屈服后,弯矩与转角之间仍为线性关系,但曲线斜率即连接刚度有所折减。与单线性模型相比,该模型能够较好的反应连接屈服后的弯矩一转角关系。多线性模型:多线性模型是以一组斜率逐级折减的直线来逼近连接的非线性弯矩一转角曲线,它能够更精确的表达连接特性,但计算量相对较大。线性模型的优点是使用方便、计算简单;缺点是计算精度不高,在转折点处节点刚度有突变。.多项式模型多项式模型是由和提出的,是采用最小二乘法对试验数据进行拟合得出的多项式表达式:秒脚式中,卜无量纲的常数,由节点的连接类型和几何特征确定;、?拟合常数,数值取决于节点形式。多项式模型虽然能够较好地反映半刚性连接的弯矩一转角关系,但是该表梁柱半刚性连接的受力性能达式是在试验的基础上,对各参数进行数据拟合得出的,参数本身没有明确的物理意义。而且,由于多项式本身的物理性质,曲线在某一范围内会出现峰值点,即曲线的斜率会出现负值,在弯矩一转角曲线中斜率表示的是连接刚度,实际情况中刚度不可能为负值。针对这一问题,等人【】对.多项式进行了修正,对参数提出了改进公式,如式.所示早男?砰。式中,只?与连接的几何尺寸有关的参数;%?由试验拟合所得参数。样条模型等人【提出了精度更高、更为复杂的样条模型来拟合半刚性连接的弯矩一转角关系曲线。在这项分析中,试验曲线被分成若干小区间,采用三次样条曲线对每一个小区间进行数值拟合,拟合结果要保证每一个小区间在交点处的一阶、二阶导数是连续的。卅秒口,肘,式中,啦、广一常数,由试验拟合得到;膨?曲线在第个插值区间的上边界弯矩;?相邻两个区间的交点数量。试验曲线的分段数越多,模型的精度就越高,并且有效的避免了负刚度的出现。但是为了获取足够的精度,拟合需要以大量的试验数据为基础,计算繁琐。.幂函数模型幂函数常被用来表达连接的弯矩一转角关系,常见的幂函数模型有二参数模型、三参数模型和四参数模型等。二参数模型是形式最简单的幂函数模型,其表达式如下:式中,、?大于零的拟合常数。二参数模型虽然形式简单,但是精度难以达到要求,不能够很好地反映半梁柱半刚性连接的受力性能刚性连接的弯矩一转角关系特性。和】以三参数弹塑性本构关系模型为参照,提出了半刚性连接弯矩一转角关系的三参数幂函数模型:口:一.?一一蝴丫式中,广抗弯承载力;杨?初始转动刚度;卜与连接类型有关的形状参数。和提出了一个精度更高的三参数幂函数模型,表达式为:秒:一.?赢【一/。”】¨“式中的、帆和咒与.式中的定义相同。和帆是计算弯矩一转角曲线的限制值;刀是控制曲线曲率的形状系数,通过数值拟合得到。上述两个模型中的三个参数,物理意义明确,虽然精度不如样条模型,但形式直观,方便易用。缺点是不适用于加载末端呈直线的弯矩一转角曲线。参照标准化的模型,和提出了一个四参数幂函数模型,其表达式为:他 三.,一一一 秒尼。 克/ 而嵩盖门式中,参数目。、。和刀是用来控制曲线形状的参数,其中系数由连接的类型和几何尺寸控制。四参数幂函数模型在表达半刚性连接的弯矩一转角关系曲线上具有较好的精度,但是实际应用较为复杂。.指数函数模型?指数模型和】通过对项底角钢连接和腹板双角钢顶底角钢连接的研究,提出了一种三参数指数模型来表达其连接的弯矩一转角关系:七,帆/ 扣旦梁柱半刚性连接的受力性能式中,岛?参考转角,皖帆/民;?连接的初始转动刚度;以?形状参数。?指数模型和提出了一个多参数指数函数表达式来描述半刚性连接的弯矩一转角关系:芝阿,石%巧川式中,广?一连接的初始弯矩,由曲线拟合得到;岛一应变强化刚度;卜曲线拟合常数,由线性回归分析得到;卜标量系数。这一模型在数据拟合方面具有较高的精度,但是当真实的曲线斜率发生急剧变化时,这一公式就无法准确表达。/指数模型和【】针对?指数模型不能适应弯矩一转角曲线斜率急剧变化的情况,提出了改进的指数模型:艺一巾,石窆口一幺日臼一嚷】其中,协?线性段的定值参数。幺?曲线段的初始转角;】?撕函数,当时为,时为。指数模型四参数指数模型是和【在对端板连接半刚性节点的研究的基础上提出的,其表达式如下:膨乙一二工掣巧秒:.?,.欧洲钢结构规范建议的弯矩一转角关系模型现行的欧洲钢结构规范【】中所采用的弯矩一转角关系曲线如图粱柱半刚性连接的受力性能.所示。够锄图.欧洲规范建议的半刚性连接弯矩一转角模型段:弯矩一转角关系为线性段:弯矩一转角关系为非线性膨,/,式中,?节点的转动刚度,即曲线段某点的斜率;掌?与连接类型有关的系数,对于顶底角钢连接孝.,对于焊接或者端板连接.。段:斜率为,即连接的屈服后强化刚度昂,叫%。. 小结本章介绍了半刚性钢框架梁柱连接节点的受力特性,分析总结了造成半刚性节点弯矩一转角关系非线性的主要因素。总结了前人研究的半刚性节点的弯矩一转角关系曲线的数学模型,分别是线性模型、多项式模型、样条模型、幂函数模型、指数函数模型和欧洲规范中采用的模型,并分别阐述了各模型的优缺点。 .梁柱平齐端板连接的非线性有限元分析梁柱平齐端板连接的非线性有限元分析目前,试验研究和有限元分析是研究半刚性连接节点的主要手段。试验研究能够反映半刚性连接受力的全过程,获得可靠的数据,是研究半刚性连接特性的有效方法。但是试验费用昂贵、工作量大,而且对于连接构造复杂多样的端板连接而言,仅仅通过试验的方法很难确定各种构造形式的连接的弯矩一转角特性。有限元方法是对试验研究局限性很好的补充,经过试验验证的有限元模型能够安全、可靠、便捷且经济地获得端板连接的受力特性。本文将采用大型通用有限元分析软件对半刚性平齐端板连接节点进行有限元计算分析,并与相应的试验结果进行全面的对比分析,验证其有效性,并为后续的弯矩一转角关系模型验证提供数据。有限元软件概述目前,工程领域常有的有限元软件有很多,如、梁柱平齐端板连接的非线性有限元分析栓杆中插入预紧力单元来实现;采用面一面接触单元和来模拟端板与柱翼缘的接触状态。单元用于构造三维固体结构,单元通过个节点来定义,每个节点有个分别沿、方向的平动自由度,能够对材料塑性、应力刚化、徐变、膨胀、大变形和大应变进行分析,适用于正交各向异性材料。适用的网格形状有六面体、三棱锥和三棱体等。和是一对接触对,用来模拟面一面接触。单元是一种可覆盖在刚体或变形体的表面的三维三节点目标单元,通过共用实常数号与相应接触面配对;单元是一种三维八节点高阶四边形面一面接触单元,每个节点有三个平动自由度,用来表示与目标面之间的接触和滑移状态。如何选择目标面或接触面是比较讲究的,如果选择不当,可能会导致求解收敛困难甚至不收敛。中目标面和接触面的选择一般需要遵循以下几点原平面或凹面为目标面,凸面为接触面;网格划分细密面为接触面,网格粗糙面为目标面;刚度小的面为接触面,刚度大的面为目标面;接触对下的实体单元如果阶数不同,则低阶单元表面做为目标面,高阶单元表面为接触面;接触对中一个面明显大于另一个面,大面应定义为目标面。根据本文的具体问题,应将端板表面定义为接触面,与端板接触的柱翼缘表面为目标一个划分一般上。螺栓屈服准则屈服准则是指材料在复杂应力状态下产生塑性变形的依据,因此根据定义的屈服准则,在特定应力状态下,就能够确定材料是否有塑性变形产生【。主要使用的屈服准则是 屈服准则和屈服准则,对于钢材等金属材料,常采用 屈服准则,其表达式为:吒一式中,吒?等效应力;.,?屈服应力。吒的计算式如下:吒三一吒吒一吒一吒或 .吒兰叹一巳一吒吒一巳弓其中,吒、吒、和气为应力分量;、吒、吒为主应力,将屈服准则表示在主应力空间中,如图.所示。梁柱平齐端板连接的非线性有限元分析丐巧图. 屈服准则示意图.空间中的屈服面是一个圆柱面,以直线正为轴线;.空间中的屈服面是一个椭圆面。位于屈服面内的点,材料的应力状态均表现为弹性,屈服面之外的任何应力状态都将会引起材料的屈服。流动准则流动准则定义了材料塑性应变增量的分量与应力分量及应力增量分量之间的关系,描述的是屈服时塑性应变的方向【】。当塑性应变的方向与屈服面的外法线方向一致时称为相关流动准则,如金属材料和其他呈不可压缩非弹性行为的材料;反之,不同时则称为不相关流动准则,如摩擦材料和剪切角不同于内摩擦角的材料。因此,本文研究的钢材应采用相关流动准则。强化准则若材料在强化阶段卸载,再次加载时其屈服应力可能会提高,也就是说材料再次进入塑性变形的后继屈服面会发生变化如形状、大小和中心,这时就需要采用强化准则来重新定义材料的屈服状态。程序为用户提供了等向强化和随动强化两种强化准则。等向强化又叫各向同性强化准则,它规定当材料进入塑性后,后继屈服面等向强化 随动强化图. 强化模型几何非线性分析几何非线性问题是指结构在外荷载作用下产生较大变形,变化的几何形状引起的结构的非线性响应。在分析中,结构的总刚度由组成它的各个单元的刚度组成,当一个单元的某个或几个节点发生位移后,这个单元发生的形状改变或者取向改变都将影响单元的刚度,进而造成结构总刚度的改变。小应变和小变形分析时假定结构位移足够小,可以忽略刚度的变化,因此计算时只需进行一次迭代就可以计算出小变形分析的位移;而在大变形分析中,刚度和位移是相互影响的,计算时需要进过多次迭代才能得到正确解,为了保证求解精度和收敛性,在加载时应将总荷载分为多个小的荷载步逐级加载。接触非线性分析接触是一种高级状态非线性行为,接触状态的改变会导致结构刚度的突变,再加上大部分的接触分析都包含摩擦,造成计算收敛十分困难。程序中提供了三种单元接触方式,分别是点一点接触、点一面接触和面一面接触,每种接触方式都是通过对应的接触单元来模拟。本文研究的梁柱端板连接节点中端板与柱翼缘之间的接触采用面一面接触单元,其优点可擦和滑动的大变形分析、低阶和高阶单元均可使用、没有得到法向应力、摩擦应力等接触计算结果等。.非线性分析中应注意的问题平衡迭代方法牛顿一拉普森平衡迭代法方法是求解非线性问每个荷载增量步的解都在某一容限范围内达到平衡收敛,梁柱平齐端板连接的非线性有限元分析.描述了方法的迭代过程在每次求解前,方法首先估算出残差矢量,程序然后采用非平衡荷载进行线性求解并检查收敛性,如不满足收敛准则,则重新估算非平衡荷载,修正刚度矩阵,再次计算并获得新解,重复这一迭代过程直到问题收敛。另外,程序还提供了线性搜索和自适应下降等方法来增强问题的收敛性,若还不能收敛,程序将自动进入下一个荷载步的计算或者终止计算。对于许多物理意义上不稳定的结构,在进行非线性静态分析时,仅使用传统.方法可能导致计算不收敛。这时程序又提供了另外一种迭代方法一弧长法,它使得迭代沿着一段弧收敛,这样即使正切刚度矩阵的值小于等于,也能有效防止计算结果发散,图.描述了弧长法的迭代过程。结合本文研究问题的具体情况,这里采用牛顿一拉普森平衡迭代法求解。图.传统方法 图.弧长法收敛准则提供了以力、弯矩、位移或转角为度量的收敛准则,各种度量的收敛准则可以单独使用,也可以采用它们之间的任意组合。力的收敛是绝对的,位移的收敛仅提供了收敛量的相对度量。所以,一般情况下位移收敛准则不单独使用,否则可能会造成假收敛的现象,导致错误的计算结果。因此,本文在进行有限元分析时采用以力为基础的收敛准则。子步在非线性问题的分析中,需要将每一个荷载步的荷载分级施加在结构上,每一个荷载增量步称为子步,子步数越多求解迭代次数越多,:解的精度也越高,但是要以增加运行时间和存储空间为代价。为了得到求解精度与过程代价之间的平衡,程序提供了两种控制子步数的方法。自定义子步数或时间步长用户通过自行定义每个荷载步的子步数或时将以文献“】中高强螺栓平齐端板连接节点的试验研究模型为对象,建立有限元模型,并将有限元分析计算结果与试验结果进行对比分析。.材料模型梁、柱和端板均采用钢,考虑材料非线性,其应力?应变关系如图.所示;螺栓采用.级高强螺栓,预应力为,其应力一应变关系如图.所示。图.钢材的应力应变关系图.螺栓的应力一应变关系限元模型如图.所示。图.节点细部尺寸图 图.节点的有限元模型.加载计算加载过程分为两个荷载步,第一个荷载步施加边界约束和螺栓预拉力,柱下端施加、三个方向的位移约束,柱上端约束和向位移向为柱轴处施加于保证第二个变效应设定为.有限元分析结果与试验结果对比主要结果表.给出了端板连接节点承载力的试验值和有限元值的对比,弯矩一转角曲线的对比见图.。节点转角口是指梁上下翼缘中心线处的相对转角,为了便于比较,图中也显示了试验结果。图.显示了节点的 应力图,节点受力过程中螺栓力的变化规律见图.。表.节点承载力对比.转角?转角?图.有限元与试验结果弯矩一转角曲线对比吣、?鼍曦焉鼍竺舞舞攀紫缀矿竺孵?幽峨荫渊渊蝶燃幽绦静?黑,., .?。.?一.图.节点的位移云图姗湖姗穴延猢至靼馨 骚荷载/荷载/第一排螺栓”第二排螺栓穴篓荷载/第三排螺栓图.节点受力过梁柱平齐端板连接的非线性有限元分析结果分析从图.的各组弯矩一转角曲线的对比中不难看出:在加载初期,材料处于弹性阶段时,分析曲线与试验曲线基本重合,对于结构设计是非常重要的。进入非线性阶段后,两条曲线虽然有所差别,但趋势总体保持一致。从图.可直观看到梁与柱之间的分离,当端板厚度较大时,其分离较小,与试验结果相吻合。从表.中也可以看出,对比节点承载力的试验值和有限元值,两者吻合较好,这说明本文建立的有限元模型能够很好地反映端板连接节点的整体受力特性,并为进一步研究螺栓、端板等部位的受力状态提供了可靠的依据。图.显示了试件.有限元计算出的节点受力过程中螺栓力的变化规律,同时也给出了相应的试验结果。考察该图则不难发现,在受荷初期,螺栓力基本保持不变,随着荷载的增加,第一排螺栓的拉力明显上升并最终达到抗拉强度;第二排和第三排螺栓力在受力全过程中基本保持不变;最下面第四排螺栓的受力有明显减小的趋势。该变化规律与试验结果也比较吻合,再次验证了有限元模型的正确性。综上所述,本文有限元模型计算得到的节点弯矩一转角曲线和抗弯极限承载力的合理性得到了试验结果的验证。而且也很好地模拟了节点的细部受力,如螺栓的受力状态和变化规律,这为进一步运用有限元方法分析各种构造形式的半刚性端板连接提供了可靠依据。.影响平齐端板连接弯矩一转角特性的参数分析试验研究表明,半刚性连接的弯矩一转角关系对于连接的几何可变性具有高度的依赖性和敏感性【,因此有必要了解连接各参数如何影响节点的受力性能。平齐端板连接构造复杂,影响节点弯矩一转角特性的因素众多且具有不确定性,在实际建模分析中就需要有选择的重点考虑那些对计算结果有显著影响的因素,适当忽略那些次要影响因素。本节将设计类构件,采用前述经试验.验证的有限元模型进行分析计算,分别研究端板厚度、第一排螺栓至梁上翼缘的距离顶边距同一排螺栓之间的间距、螺栓的直径和柱腹板加劲肋对平齐端板连接弯矩一转角特性的影响,为节点的设计和后续弯矩一转角关系