空间半刚性连接钢框架有限元分析和研究

【摘要】： 多高层钢框架结构作为一种重要的钢结构形式，在我国方兴未艾。传统钢框架结构分析和设计中，常假定梁柱连接为完全刚性或理想铰接，实际工程中的连接常介于这两者之间，属于半刚性连接。对连接特性的这种假定常造成一定的误差，有时甚至得到错误的结论。本论文主要对空间半刚性连接钢框架进行了非线性有限元分析和研究。 本论文首先介绍了空间钢框架结构研究的现状及存在的问题。在广泛分析和研究国内外有关刚性及半刚性连接钢框架理论分析的基础上，重点阐述了基于连续介质力学有限变形理论和内力屈服面塑性流动理论的结构分析有限单元法。在Kishi-Chen幂函数半刚性连接力学模型的基础上，推导了半刚性连接空间杆单元二阶弹性及弹塑性刚度矩阵方程，该矩阵方程综合考虑了半刚性连接、二阶效应、材料非线性及剪切变形的影响。 利用Kim单跨两层空间钢框架的试验结果，验证了以双向变刚度弹簧单元模型模拟梁柱连接特性，利用ANSYS进行空间钢框架有限元分析的可行性，在此基础上建立了多个多高层空间半刚性钢框架模型。通过对六层、十二层不同连接形式钢框架模型的计算，分析了节点刚度对空间钢框架顶点侧移和梁柱内力的影响；通过对八个不同层高、节点刚度的有限元模型进行非线性计算，分析了节点侧向刚度对空间钢框架顶点位移、梁柱内力的影响。 通过研究，本论文指出：对不同梁柱连接形式，节点刚度改变会引起空间钢框架双向侧移发生变化，使梁柱内力产生重分布：节点侧向刚度对空间钢框架侧移的影响呈非线性关系，在特定取值区间内影响较大，且随层高增加而变大，在设计中应严格控制。本论文的研究，对空间钢框架结构的设计具有一定的技术支撑。