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半刚性连接平面钢框架结构弹塑性分析及抗震性能研究

胡习兵  
【摘要】: 在传统的钢框架结构设计中,人们通常将梁柱节点连接假设成完全刚接或理想铰接,以方便计算。事实上,大部分梁柱节点的连接性能介于两者之间,属于半刚性连接节点的范畴。大量的研究表明,节点连接的半刚性对钢框架内力、位移、结构的极限承载力以及结构动力性能的影响相当大,不容忽视。 针对半刚性梁柱连接节点的非线性性能对钢框架结构受力性能的影响,本文主要作了以下方面工作: 1、根据半刚性连接节点的力学性能,提出了一种适合于一般平面钢结构弹性分析、弹塑性静力分析、弹性时程分析和弹塑性时程分析的结构计算分析新模型。该方法能克服传统计算模型所不能处理的问题,且使用方便。 2、在梁柱理论的基础上,通过修正单元的转角-位移方程,推导了半刚性连接平面钢框架结构的弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵。根据小变形叠加原理,推导了半刚性连接杆单元在任意荷载作用下的杆端内力计算公式。在上述基础上,进行了半刚性连接平面钢框架结构的二阶弹性分析和二阶弹塑性分析,同时采用FORTRAN语言编制了相应的结构非线性分析计算程序,并使用该程序进行了大量的计算,分析了梁柱节点连接的半刚性对结构的节点位移、单元内力、二阶效应和结构极限承载力的影响程度。 3、提出了半刚性连接平面钢框架结构的稳定控制简化方法和结构在静力荷载作用下的简化计算方法。利用该方法,分别可以求解结构楼层的临界重力荷载和任意荷载作用下的结构内力和侧移。 4、由虚功原理和梁柱理论,推导了半刚性连接杆单元的质量矩阵,采用Reilay阻尼和Wilson-θ数值积分法,进行半刚性连接平面钢框架结构的弹性时程分析和弹塑性时程分析,并使用FORTRAN语言进行了相应的结构计算分析程序编制,并使用该程序进行了大量的计算,分别分析了连接的半刚性对无柱间支撑和有柱间支撑平面钢框架结构在地震荷载下的结构反应特性。研究发现:无柱间支撑钢框架结构对连接的半刚性性能非常敏感,在高层钢框架结构中不宜使用转动刚度较小的半刚性连接形式。 5、根据小变形叠加原理,提出了半刚性连接平面钢框架结构抗震简化计算层模型,推导出了结构的楼层侧移和抗侧刚度近似计算公式,并求出了半刚性连接钢框架结构柱的反弯点高度计算公式。通过分析结构楼层的几何参数对结构基本自振周期的影响,拟合出了半刚性连接平面钢框架结构基本自振周期的近似计算公式。通过算例分析表明:本文所提的层模型和近似计算公式都具有较高的计算精度,可以用于半刚性连接平面钢框架结构的抗震初步设计。


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