钢框架变截面柱异型节点抗震性能及含该类节点柱计算长度分析.pdf.doc

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1、【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变截面柱异型节点抗震性能及含该类节点柱计算长度分析.pdf.doc.精品文档.硕士硕士学位论文蔡静钢框架变截面柱异型节点抗震性能及含该类节点柱计算长度分析钢框架变截面柱异型节点抗震性能及含该类节点柱计算长度分析蔡 静二一四 年 六 月2014 分类号TU391密级公开UDC硕士学位论文钢框架变截面柱异型节点抗震性能及含该类节点柱计算长度分析蔡静学科专业指导教师结构工程彭修宁 教授论文答辩日期2014.5.25学位授予日期答辩委员会主席 邓志恒 教授广西大学学位论文原创性和使用授权声明本人声明所呈交的论文，是本人在导师的指导下独立进行研究

2、所取得的研究成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得广西大学或其它单位的学位而使用过的材料。与我一同工作的同事对本论文的研究工作所做的贡献均已在论文中作了明确说明。本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属广西大学。本人授权广西大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权保存并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。本学位论文属于：o 保密，在 不保密。年解密

3、后适用授权。(请在以上相应方框内打“”)论文作者签名：日期：指导教师签名：作者联系电话：日期：电子邮箱：钢框架变截面柱异型节点抗震性能及含该类节点柱计算长度分析摘要目前，随着钢结构应用的深入，大型工业建筑、高层民用建筑的发展，异型节点应运而生。对于异型节点，我国现行规范没有明确的可用公式和构造措施，依靠的仅是工程实践经验。近几年，已有对变截面梁异型节点抗震性能的理论研究，而变截面柱异型节点的抗震性能还有待研究。为此本文运用 ANSYS 首先建立异型节点有限元模型与节点试验结果进行比较分析，验证试验结果的合理性及有限元模拟的可行性，同时建立 6条应力路径对异型节点的应力分布进行分析；然后在试验的

4、基础上，建立一系列的异型节点有限元模型，以轴压比，钢材强度，柱截面高度比（简称“柱高比”）为控制参数，研究这三个控制参数对异型节点构件承载能力的影响；另外考虑柱顶受同一竖向荷载作用时，异型节点钢材强度和柱高比对承载力的影响，通过这部分的分析补充扩展试验控制参数的影响；最后推导了含异型节点钢框架变截面柱的等效刚度公式，对有侧移的钢框架柱的计算长度系数公式进行修正，并对节点处不同柱高比的钢框架柱的计算长度系数进行比较，同时与规范的计算长度系数作比较分析。研究表明，有限元模拟分析是准确有效的，异型节点具有良好的抗震性能，适用于实际工程；各控制参数对异型节点构件承载力的影响是节点构件的承载力随轴压比的

5、提高而降低，同一轴压比下承载力变化与柱高比不呈线性关系，钢材强度高的异型节点构件承载力随着轴压比的增大而降低的幅度要大于钢材强度低的节点；含异型节点钢框架柱的修正计算长度系数m和相应修正的临界力 Pcr与规范中的计算值相差不大，说明对不考虑P - D效应的上下柱变截面异型节点有侧移钢框架的整体稳定分析可以直接按普通节点钢框架进行分析。关键词 ：钢结构 异型节点 抗震性能 节点承载力 计算长度系数IANALYSIS FOR SEISMIC PERFORMANCE OF ABNORMAL JOINTS WITH VARIABLE CROSS-SECTION COLUMN AND COLUMN EF

6、FECTIVE LENGH IN STEEL FRAME ABSTRACT Along with further use of steel structure and the development of largeindustrial buildings and high-rise civil buildings, abnormal joints arise at thehistoric moment. For abnormal joints, there are no specified formulas andconstruction measures in our countrys s

7、tandard used right now, only relying onthe engineering practical experience. In recent years, there are some researchesabout the seismic behavior of abnormal joints with variable cross-section beam,but the seismic behavior of abnormal joints with variable cross-section columnremains to be studied.Fo

8、r this purpose ,at first the article uses ANSYS to establish finite elementmodel of abnormal joints and makes them compared with the test results toverify the rationality of the test results and the feasibility of finite elementsimulation. At the same time six stress paths are set up to analyze the

9、stressdistribution of abnormal joints . Then on the basis of experiment, a series ofabnormal joints are established with axial compression ratio, intensity of steel,column height ratio as control parameters to study the three control parameterson the influence of the bearing capacity of abnormal joi

10、nts. Besides, The steelintensity and column height ratio impacted on the bearing capacity of abnormaljoints is considered, when the same vertical load is loaded on the top of column.The analysis of this part extends the influence of test control parameters.Thepaper also deduces the formula of equiva

11、lent stiffness for variable cross-sectioncolumn in steel frame with abnormal joint, and amends the formula of effectiveIIlength factor for the lateral steel frame column. Finally, the effective lengthfactors of steel frame column with different column height ratios are compared,as well as standard e

12、ffective length factor.Research shows that the finite element simulation analysis is accurate andeffective, and the abnormal joint which is applicable to practical engineering hasbetter seismic performance. The effect of control parameters on the bearingcapacity of abnormal joints is that the bearin

13、g capacity of abnormal joint isreduced with the increase of axial compression ratio, and the bearing capacity ofthe column height ratios is not a linear relationship under the same axialcompression ratio ,also the declining value of bearing capacity of abnormaljoints in high strength steel is much g

14、reater than the lower steel strength with theincrease of axial compression ratio. Revised m of steel frame with abnormaljoints and the corresponding corrected critical force Pcr is less different fromstandard calculated value ,which can explain that irrespective of P - Deffect ,the overall stability

15、 analysis of lateral steel frame with abnormal jointabout variable cross-section column can be directly analyzed according to thesteel frame with common joint.KEY WORDS：Steel frame; Abnormal joints; Seismic performance; Bearingcapacity; Effective length factorIII目录摘要.IABSTRACT .第一章 绪论. 11.1 研究背景及意义.

16、 11.2 钢框架异型节点的概述. 11.3钢框架异型节点的类型. 21.3.1梁柱连接节点的分类. 21.3.2钢框架异型节点的构造类型. 41.4 钢框架节点国内外研究进展. 61.4.1钢框架节点国外研究进展. 71.4.2钢框架节点国内研究进展. 81.5 本文研究的方法及内容. 9第二章 变截面柱异型节点有限元模型的建立及分析. 112.1 有限元法分析软件的选择. 112.2 试验概况. 112.2.1 概述. 112.2.2 节点构件参数. 122.2.3 加载方式及加载制度. 132.3 有限元程序的选取. 152.3.1 非线性问题. 152.3.2 屈服准则. 152.3.

17、3 材料参数的选取. 162.3.4 几何模型的建立和网格的划分. 172.3.5 定义接触单元. 182.3.6 定义预紧单元. 192.3.7 加载方法及加载制度. 192.3.8 求解设置. 202.4有限元计算结果与试验结果比较. 212.4.1 破坏形态. 21IV2.4.2 约束强化. 222.4.3 滞回性能. 222.4.4 延性系数. 242.4.5 强度退化及刚度退化. 252.5 节点应力分析. 262.5.1 弹性阶段. 282.5.2 弹塑性阶段. 292.6 本章小结. 35第三章 变截面柱异型节点各控制参数分析. 363.1 有限元模型的设计及建立. 363.1.

18、1 试件介绍. 363.1.2 模型建立. 393.2 正反向承载力比较. 393.3 轴压比对异型节点构件承载力的影响. 413.4 钢材强度对异型节点构件承载力的影响. 433.5 柱高比对异型节点构件承载力的影响. 443.6 同一竖向荷载下各参数的影响. 463.6.1 钢材强度对异型节点构件承载力的影响. 463.6.2 异型节点上下柱高比对节点构件承载力的影响. 513.6.3 节点的塑性应变引起的延性问题. 543.7节点板件应力应变分析. 573.7.1 柱翼缘应力应变分析. 573.7.2 节点域板应力应变分析. 583.7.3 连接板应力应变分析. 593.8本章小结. 6

19、0第四章 含异型节点钢框架柱的计算长度分析. 614.1 变截面柱的等效刚度计算. 624.1.1 基本方法. 624.1.2 变截面柱等效刚度计算. 624.2 含异型节点有侧移框架柱的稳定计算. 65V4.3 算例. 684.4 本章小结. 70第五章 结论与展望. 725.1 主要结论. 725.2 需要进一步研究的内容. 73参考文献. 74致谢. 78攻读硕士学位期间发表的论文. 79攻读硕士学位期间参与的科研项目. 79VI广西大学硕士学位论文钢框架变截面柱异型节点抗震性能及含该类节点柱计算长度分析第一章绪论1.1研究背景及意义本课题研究来源于国家自然科学基金项目 “罕遇地震下含异

20、型节点栓焊钢框架性能及异型节点方法研究”（51168002）。与其他材料的结构相比，钢结构具有许多优点，如自重轻、强度高、抗震性能好等。随着钢结构应用范围的扩展，我国的钢结构不仅应用于高层重型和空间大跨度工业和公共建筑，也慢慢向民用建筑发展。在 1994年美国的北岭地震（Northridge Earthquake）和 1995年日本的阪神地震（Kobe Earthquake）后掀起了钢结构节点研究的浪潮。在北岭地震之前，普遍认为梁柱焊接节点具有良好的延性，能够有效地吸收地震能量，保持结构的稳定。但在这两次地震中，梁柱栓焊连接节点发生脆性破坏，而此节点的破坏并没有引起整体结构的倒塌，打破了之前人

21、们对钢结构梁柱节点的认识。近十年国内外科研单位对梁柱节点脆性破坏这一问题进行了大量的研究，对节点的设计提出了有利于提高构件延性的改进措施，但到目前，有关框架节点的研究多是针对常规节点或半刚性节点。随着工业建筑工艺的愈加复杂、大型民用建筑平面布置的需要，钢结构建筑中的异型节点日渐增多。这类节点由于截面变化导致在力学性能上与常规节点有所不同，尤其在节点域部分要比普通节点复杂。目前国内外研究对变梁变柱异型节点研究甚少，各地规范对节点的规定也主要是针对常规节点，因而这类异型节点仅从经验意义上进行构造设计，缺乏理论支持和试验数据，而这种设计只能满足节点强度要求，无法保证结构的安全。因此，需要在较为成熟常

22、规节点的经验、基础和已有异型节点工程经验上深入分析异型节点的力学性能，为异型节点工程应用提供理论依据，利于其今后在建筑领域中的发展。1.2钢框架异型节点的概述钢框架异型节点即相对于常规节点在同一节点处出现左右梁截面和（或）上下柱截面变化。现阶段已出现对异型节点的研究，但处于起步阶段。吴涛、白国良等1对钢筋1广西大学硕士学位论文钢框架变截面柱异型节点抗震性能及含该类节点柱计算长度分析混凝土框架异型节点进行了一系列的研究，薛建阳、彭修宁等2以大型火电厂异型节点为原型对钢框架异型节点进行了研究。但是前面所做的研究都是针对左右梁截面变化的情况，其中上下柱变截面的情况还没有研究。本文的研究主要针对钢框架

23、上下柱变截面而左右梁不变的情况，如图 1.1。异型节点与常规节点相比，在构造上、性能上都存在区别，主要体现在核心区域受力状况的不同。已有研究的左右变截面梁节点核心区域由于左右梁对节点域约束不同，核心区域可划分为两部分，受力情况较为复杂。上下柱变截面的节点同样由于上下柱对节点域的约束力度不同，节点域受力不能等同于常规节点受力。钢框架异型节点与钢筋混凝土异型节点相比，截面形式，材料性能，承载力等都不同，并且钢框架异型节点连接工艺要求更高。由于异型节点截面的变化，如何确保节点强度、刚度、有效连接、承载能力、抗震性能等问题成为异型节点研究的关键。图 1.1异型节点简图Fig.1.1 Configura

24、tion of abnormal joint1.3钢框架异型节点的类型1.3.1梁柱连接节点的分类框架结构中的节点所起的作用一方面是把梁柱联系起来，形成框架整体，另一方面就是作为一种媒介，把一个杆件的力和弯矩传到另一杆件。其中所要传递的力有轴力、剪力、弯矩、扭矩，而扭矩在平面问题中可不考虑。在节点变形中转动变形相对较大，剪切变形次之，轴向变形最小3。值得注意的是，在梁柱节点设计中必须能安全地传递被连接板件的轴力、弯矩、剪力是设计的基本原则。2广西大学硕士学位论文钢框架变截面柱异型节点抗震性能及含该类节点柱计算长度分析根据梁柱之间的约束及转动情况来分类，钢框架结构梁柱的连接可分为刚性连接、半刚性

25、连接、铰支连接。欧洲钢结构设计规范（EC3）4为了区分钢结构梁柱连接的类型给出量化的分类方法。如图 1.2 所示，其中M = M /M p，q =q /q p ,(M p、q p分别为梁的塑性弯矩和塑性转角。无支撑刚性有支撑半刚性铰接图 1.2 Eurocode3分类方法Fig1.2 Eurocode3 Classifications（1）区域 1：刚性连接，可以传递弯矩和剪力，但梁柱间无相对转动，其变形不会对结构的内力分布和整体变形产生明显影响。（2）区域 2：半刚性连接，介于刚性连接和柔性连接之间，能够根据弯矩转角特性来预计构件相互作用的程度。半刚性连接能够传递剪力和一定数量的弯矩。同时区域 1和3中的节点也可选择性地认为是半刚性节点。（3）区域 3，铰支连接，能够传递剪力，具有足够的转动能力，但是不能传递弯矩或只能传递很少量的弯矩，以致对构件和结构整体造成不利影响。不同结构对梁柱连接方式的要求不同：铰支连接，适用于次要构件的连接，因为其结构简单，刚度较小，不利于变形；半刚性连接适用于单层门式钢架或低层框架的连接，适用性在于具有良好的综合经济指标，但是会影响结构的承载变形能力；刚性连接适用于多、高层建筑钢结构，它具有刚度大，承载力高，受力性能好等优点，不足之处是对节点加工制作要求较高5。传统的梁柱刚性连接一般分为