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《西安建筑科技大学》 2003年
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钢框架梁柱栓焊刚性连接的滞回性能、破坏机理及抗震设计建议

王万祯  
【摘要】: 由梁翼缘与柱焊接、梁腹板与柱高强螺栓连接构成的抗弯钢框架具有建筑和使用的优越性(如不设支撑)、加工方便等优点,在强震区得到广泛使用。但在1994年Northridge和1995年阪神地震中,梁柱连接发生了大量的脆断现象,显示出人们对于钢框架栓焊连接的受力性能和破坏机理认识不足及现行设计规范的不尽合理。为了避免人员伤亡和财产损失,研究钢框架梁柱栓焊连接在循环荷载下的破坏机理、提出新的节点构造和抗震设计对策,不仅有重要的理论意义,而且有重大的工程价值。 为了更精确地模拟梁柱栓焊连接在地震作用下的脆断行为,本文将考虑大变形、大应变的钢材随动强化模型(考虑包辛格效应)引入到U.L格式的有限元方程中,考虑了接触区的状态非线性,以模拟高强螺栓预拉力、螺栓连接区的摩擦接触。并将钢材延性断裂的破坏准则和脆性断裂的断裂因子引入到有限元模型中,真实再现了梁柱栓焊连接在循环荷载下的断裂破坏过程。 在将本文考虑几何非线性、材料非线性及状态非线性的有限元程序计算结果与试验结果对比验证后,对承受常轴力的梁柱栓焊连接在循环荷载下的滞回性能进行了计算分析,系统研究了节点域强弱、柱轴压力、高强螺栓预拉力、摩擦面的处理方法(摩擦系数μ)、梁截面高度、梁翼缘厚度、柱翼缘厚度、柱翼缘宽度、梁剪跨比、对接焊缝的屈服强度、梁钢材的屈服强度、梁腹板切角的形状和尺寸、焊接衬板的处理方法等参数对梁柱栓焊连接受力性能的影响,得出了其破坏机理:连接处几何不连续导致力的重分配、柱对梁翼缘的强约束是节点脆断的主要原因,焊接衬板处的人工裂纹效应使梁翼缘对接焊缝更趋于脆断,并给出了考虑剪力使梁翼缘超载的强度公式,填补了国内外在此领域的空白,根据分析结果,提出了抗震建议和对策。 在明晰传统的梁柱栓焊连接破坏机理的基础上,系统地对改进节点进行了参数研究,得出结论:改进节点的性能较传统节点有显著提高。削减梁截面节点对于减轻对接焊缝的应力水平贡献较小,连接仍有脆断的可能;由于自身的构造特点,焊接盖板节点在焊接盖板与梁翼缘间存在大量的间隙,当焊接盖板较长时,该间隙的人工裂纹效应不可忽视;焊接梁腋节点的性能最为优越,但加腋翼缘的对接焊缝是连接的薄弱环节。最后,给出了改进节点的抗震设计建议。 本文的有限元模型考虑问题全面、精度较高,能够真实再现梁柱栓焊连接在地震下的断裂行为,研究的内容系统、广泛,结论及建议对于修订规范和指导工程设计具有重要的参考价值,为进一步研究钢框架梁柱栓焊连接的抗震性能打下了良好的基础。
【学位授予单位】:西安建筑科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TU391

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